DE102008036264A1

DE102008036264A1 - Optischer Sensor und Verfahren zum Vermessen von Profilen

Info

Publication number: DE102008036264A1
Application number: DE200810036264
Authority: DE
Inventors: Albert Sedlmaier; Stefan Freitag; Bernard Poks; Thomas Dietl; Andreas Bachthaler
Original assignee: Data M Sheet Metal Solutions GmbH
Current assignee: Data M Sheet Metal Solutions GmbH
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2010-02-18
Also published as: WO2010015459A3; WO2010015459A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor (5) zum Vermessen von Profilen nach dem Prinzip des Lichtschnittverfahrens, der Folgendes umfasst: mindestens einen Linienprojektor (6), der eine Lichtlinie (9) auf ein Messobjekt (8) ausstrahlt, dessen Profil zu vermessen ist; mindestens ein Bildaufnahmeelement (7) mit einem Sensorelement (2) und einer Objektivanordnung (19) zur Erfassung des reflektierten Strahls des Messobjekts (8), wobei das Sensorelement (2) nicht parallel zur Ebene der Objektivanordnung (19) angebracht ist und wobei das Sensorelement (2) in Bezug auf die optische Achse (3) des Bildaufnahmeelements (7) in einer Ebene (A'-B') verschiebbar gelagert ist, so dass der Tiefenbereich des Bildaufnahmeelements (7) justierbar ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Messanordnung mit dem optischen Sensor (5) sowie ein entsprechendes Verfahren zum Vermessen von Profilen.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein einen optischen Sensor und ein Verfahren zum Vermessen von Profilen und insbesondere einen optischen Sensor und ein Verfahren zum optischen Vermessen von Profilen, die auf Kalt- und Warmwalzvorrichtungen hergestellt werden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch einen optischen Sensor zum optischen Vermessen von Profilen, die auf Drahtzieh-, Drahtwalz- und Blechbiegevorrichtungen hergestellt werden.
Stand der Technik
Aus der DE 44 39 307 C2 ist eine Beleuchtungs- und Beobachtungsoptik für ein 3D-Oberflächenmessgerät bekannt, das nach dem an und für sich bekannten Prinzip des Lichtschnittverfahrens arbeitet.
Beim auf dem Prinzip der Triangulation basierenden Lichtschnittverfahren erfolgt allgemein die Vermessung eines Höhenprofils eines zu erfassenden Messobjekts entlang einer möglichst schmalen und hellen Lichtlinie, die von einem Linienprojektor, beispielsweise einem Laser, auf das Messobjekt projiziert wird. Eine elektronische Kamera erfasst die Projektion der Lichtlinie auf dem Messobjekt und eine der Kamera nachgeschaltete Auswerteschaltung bestimmt die Verschiebung der Lichtlinie im Kamerabild mit den Methoden der Photogrammetrie und rechnet diese Verschiebung in 3D-Koordinaten um, die dem Höhenprofil des Messobjekts entsprechen.
Das Oberflächenmessgerät der DE 44 39 307 C2 setzt das bekannte Prinzip des Lichtschnittverfahrens um, indem es eine Beleuchtungsoptik und eine unter einem Triangulationswinkel, der ungleich Null ist, angeordnete Beobachtungsoptik bereitstellt. Die Beleuchtungsoptik erzeugt eine Lichtlinie, die auf die Oberfläche des Messobjekts projiziert wird und anschließend auf einem 2D CCD-Sensor der Beobachtungsoptik scharf abgebildet wird.
Die Beobachtungsoptik der DE 44 39 307 C2 umfasst darüber hinaus zwei Linsen bzw. Linsensysteme mit unterschiedlichen Brennweiten und eine sich zwischen den beiden Linsen bzw. Linsensystemen befindliche Blende, die den Strahlengang begrenzt und um die jeweilige Brennweite der Linsen bzw. Linsensysteme von diesen beabstandet ist.
Die Hauptachse der Beobachtungsoptik der DE 44 39 307 C2 ist in Bezug auf die Oberfläche des CCD-Sensors um einen Winkel geneigt, der ungleich 90° ist und zusätzlich von den zwei Brennpunkten der Linsen bzw. Linsensysteme und Winkel der Hauptachse der Beobachtungsoptik mit der Ebene des zu erfassenden Messobjekts abhängig ist.
Während Beleuchtungs- und Beobachtungsoptik der DE 44 39 307 C2 eine Vergrößerung des Höhenmessbereichs des Messobjekts bewirkt, erlaubt die bekannte Beleuchtungs- und Beobachtungsoptik keine selektive Erfassung des Höhenmessbereichs des Messobjekts, um dadurch nur ausgewählte Ausschnitte des Höhenmessbereichs des Messobjekts zu erfassen.
Darüber hinaus ist die zwei Linsen bzw. zwei Linsensysteme einschließende Beleuchtungs- und Beobachtungsoptik der DE 44 39 307 C2 kompliziert und kann nicht mit der Optik einer herkömmlichen Kamera realisiert werden.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen optischen Sensor bzw. ein Verfahren zum Vermessen von Profilen bereitzustellen, der/das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und der in der Lage ist, eine selektive Erfassung des Höhenmessbereichs des Messobjekts bei Beibehaltung einer ausreichenden Tiefe des Höhenmessbereichs durchzuführen.
Im Rahmen der obigen Aufgabe besteht eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines optischen Sensors bzw. eines Verfahrens zum Vermessen von Profilen mit einer relativ einfachen Optik, die in einer herkömmlichen Kamera bereits vorhanden ist.
Diese und weitere der nachstehenden Beschreibung zu entnehmenden Aufgaben werden durch einen optischen Sensor gemäß Anspruch 1, von einer Messanordnung gemäß Anspruch 12, sowie von einem Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den anhängigen Ansprüchen angegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt die Abbildung eines Höhenprofils eines Messobjekts auf einem Sensorelement mit einer herkömmlichen Beleuchtungs- und Beobachtungsoptik, die nach den Grundsätzen der DE 44 39 307 C2 aufgebaut ist.
2 zeigt die Abbildung eines Höhenprofils eines Messobjekts auf einem Sensorelement, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und das in einen optischen Sensor eingebaut werden kann.
3 zeigt einen Abschnitt der 2 in vergrößerter Form.
4 zeigt die schematische Ansicht eines optischen Sensors mit dem Messobjekt gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt die schematische Ansicht eines optischen Sensors mit dem Messobjekt gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt eine Messanordnung, die mit optischen Sensoren der ersten oder der zweiten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut werden kann.
Unter Bezugnahme auf die 1 wird die herkömmliche Abbildung eines schematisch dargestellten Höhenprofils 1 eines Messobjekts auf ein Sensorelement 2 mit einer bekannten Beleuchtungs- und Beobachtungsoptik gezeigt, das nach den Grundsätzen der DE 44 39 307 C2 aufgebaut ist. Das Sensorelement 2 ist gemäß dem Scheimpflug-Prinzip gedreht angeordnet. Das schematische Höhenprofil 1 erstreckt sich zwischen zwei Punkten A und B, die durch die optische Achse 3 einer ebenfalls schematisch dargestellten dicken Linse 4 in zwei Bereiche I₁ und I₂ unterteilt ist. Als dicke Linsen werden jene bezeichnet, deren Abstand der Scheitelpunkte auf der optischen Achse nicht mehr klein gegenüber deren Krümmungsradien sind. Sie können daher nicht durch eine Ebene ersetzt werden und somit verläuft ein Lichtstrahl über einen optischen Weg in der Linse, der zwischen den Hauptebenen H₁ und H₂ der Linse 4 liegt. Das Sensorelement 2 ist derart angeordnet, dass es nicht parallel zu den Hauptebenen H₁ und H₂ der dicken Linse 4 liegt, so dass die Abbildung A' und B' des Höhenprofils 1 in der Ebene des Sensorelements 2 einem größeren Tiefenbereich entspricht. Anders ausgedrückt, gestattet die nicht parallele Anordnung des Sensorelements 2 in Bezug auf die Hauptebene H₁ und H₂ der Linse 4, dass ein größerer Tiefenbereich, der dem Bereich I₁ des Höhenprofils 1 entspricht, als ein Bereich I₁' in der Ebene des Sensorelements abgebildet wird. Der zweite Bereich I₂ des Höhenprofils 1, der in etwa im normalen Tiefenbereich des Linse liegt, wird im Bereich I₂ der Ebene des Sensorelements 2 abgebildet.
Bei der in der 1 gezeigten herkömmlichen optischen Anordnung ist das Sensorelement 2 in Bezug auf die optische Achse 3 unbeweglich, wobei die optische Achse 3 der dicken Linse 4 in der Regel durch die Mitte des Sensorelements 2 verläuft. Daher ist eine Änderung des Tiefenbereichs oder eine selektive Erfassung des Höhenmessbereichs des Messobjekts mit der herkömmlichen Anordnung nicht möglich.
Mit dieser bekannten Beleuchtungs- und Beobachtungsoptik kann eine größere Tiefenschärfe erzielt werden und es kann ein größerer Messbereich erfasst werden, wobei die Genauigkeit relativ hoch bleibt. Nachteilig bei der bekannten Beleuchtungs- und Beobachtungsoptik ist jedoch der zu große Sichtbereich, der insbesondere im Bereich I₁ des Höhenprofils 1 liegt, so dass die Optik zu weit nach hinten sieht. Darüber hinaus ist auch die Tatsache von Nachteil, dass mit der bekannten Optik der eigentlich zu betrachtende Bereich zu klein abgebildet wird, die Brennweite der Optik aufgrund der Drehung der Ebene des Sensorelement 2 variiert.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 wird eine Abbildung eines schematisch dargestellten Höhenprofils 1 eines Messobjekts auf einer Ebene des Sensorelements 2 gezeigt, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
Die Bestandteile der Messoptik der 2 und 3 sind dieselben wie jene der Messoptik der 1 und umfassen das Höhenprofil 1 mit den Bereichen I₁ und I₂, das Sensorelement 2 mit den Bereichen I₁' und I₂', sowie die dicke Linse 4 mit der optischen Achse 3. Daher wird eine eingehendere Erläuterung der Messoptik der 2 und 3 weggelassen.
Abweichend jedoch von der herkömmlichen Beleuchtungs- und Beobachtungsoptik der 1 ist das Sensorelement 2 der erfindungsgemäßen Messoptik verschiebbar in Bezug auf die optische Achse 3 der dicken Linse 4 angeordnet, so dass die Tiefe der Bereiche I₁ und I₂ justierbar sind. Bei einem Versatz des Sensorelements 2 um den Betrag v von der optischen Achse 3, wie in der 3 ersichtlich, sind die Bereiche I₁ und I₂ in etwa gleich. Für den Fachmann versteht sich jedoch, dass die Justierung selektiv abhängig von dem zu erfassenden Tiefenbereich des Messobjekts erfolgen kann.
Die Konstruktionsvorschrift der Punkte A' und B' in der Ebene des Sensorelements 2 ergibt sich wie folgt. Für den ersten Punkt A' wird zunächst die Strecke A-H₂ parallel zur optischen Achse 3 gezeichnet, dann die Gerade H₂-f-A', dann die Strecke A-f-H₁ und anschließend die Gerade H₁-A' parallel zur optischen Achse 3. Für den zweiten Punkt B' wird zunächst die Strecke B-H₂ parallel zur optischen Achse 3 gezeichnet, dann die Gerade H₂-f-B', dann die Strecke B-f-H₁ und anschließend die Gerade H₁-B' parallel zur optischen Achse 3.
Der Versatz v des Sensorelements 2 in Bezug auf die optische Achse 3 kann auf die vorstehend beschriebene Art und Weise berechnet werden. Wird z. B., wie in der 2 dargestellt, die Strecke A-B des Höhenprofils 1 symmetrisch zur optischen Achse gewählt, kann dann der Versatz v als Abstand zwischen der Mitte der Strecke A'-B' und der optischen Achse 3 ermittelt werden. Die Lage der beiden Hauptebenen H₁ und H₂ der Linse 4 und ihrer Brennpunkte f und f sind durch den Hersteller der Linse (des Objektives) gegeben.
Der Versatz v des Sensorelements 2 in Bezug auf die optische Achse 3 der Linse 4 kann verschiedenartig, wie dem Fachmann bekannt, mechanisch oder elektronisch implementiert werden. Der Versatz v erfolgt in der festgelegten Ebene des Sensorelements 2, so dass die Neigung der Ebene des Sensorelements 2 in Bezug auf die optische Achse 3 konstant bleibt.
Die erfindungsgemäße Messoptik erlaubt, analog zum vorstehend erläuterten Stand der Technik der DE 44 39 307 C2 , eine größere Tiefenschärfe und es kann ein größerer Messbereich erfasst werden, wobei die Genauigkeit relativ hoch bleibt. Darüber hinaus erlaubt die erfindungsgemäße Messoptik ein genau definiertes und begrenztes Blickfeld. Anders ausgedrückt kann mit der neuartigen Messoptik eine selektive Erfassung des Höhenmessbereichs des Messobjekts erfolgen.
Unter Bezugnahme auf die 4 wird eine erste Ausführungsform des optischen Sensors erläutert, der mit der Messoptik der 2 und 3 ausgestattet ist.
Der allgemein mit Bezugszeichen 5 bezeichnete und nach dem Prinzip des Lichtschnittverfahrens arbeitende optische Sensor umfasst einen Linienprojektor 6, vorzugsweise mit einem Laser als Lichtquelle mit (nicht gezeigter) geeigneter Optik oder mit einem Laser mit (nicht gezeigtem) beweglichem Spiegelsystem, das drehend oder schwenkend ausgebildet ist. Vorteilhaft kann die Helligkeit des Lasers regelbar sein.
Der Linienprojektor 6 ist auf ein schematisch dargestelltes Messobjekt 8 gerichtet, dessen Höhenprofil zu erfassen ist, und strahlt eine möglichst schmale und helle Lichtlinie 9 auf das Messobjekt 8 aus. Der optische Sensor 5 ist vorzugsweise in einem Gehäuse 15 enthalten.
Der optische Sensor 5 umfasst weiterhin ein Bildaufnahmeelement 7, vorzugsweise eine Videokamera oder Kamera mit einer Objektivanordnung 19, die die Linse 4 der 2 und 3 und möglicherweise eine Blende 16 einschließt. Vorteilhaft ist die Kamera 7 ausgebildet, um die Anpassung ihrer Lichtempfindlichkeit zu erlauben, so dass das Licht des Lasers scharf abgebildet wird. Die Blende 16 kann regelbar oder automatisch sein und hat die Funktion, unerwünschte Spiegelungen zu vermeiden. Statt einer normalen Objektivanordnung kann ein telezentrisches Messobjektiv verbaut werden.
Ebenfalls in die Kamera 7 integriert ist das Sensorelement 2 mit einer an und für sich bekannten Auswerteschaltung 10. Die Auswerteschaltung 10 kann extern in Bezug auf die Kamera 7 bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann erfindungsgemäß die Auswerteschaltung 10 ausgebildet sein, um elektronisch Versatz v des Sensorelements 2 in Bezug auf die optische Achse 3 der Linse 4 bzw. der Kamera 7 in einer Ebene, die in einem festgelegten Winkel zur optischen Achse 3 liegt, zu implementieren. Die alternativen mechanischen Mittel zum Versetzen des Sensorelements 2 sind in der 4 nicht dargestellt, können aber, wie erläutert, von einem Fachmann ohne weiteres implementiert werden.
Auswerteschaltung 10 kann vorteilhaft mit einer Auswertesoftware ausgestattet werden, die störkonturfest ist, um Durchbrüche oder Verunreinigungen korrekt zu erfassen.
Der optische Sensor 5 umfasst auch optische Filter 11 und 12, die auf die Wellenlänge des Linienprojektors 6 abgestimmt sind, z. B. Infrarotlicht, um unerwünschte Wellenlängen, die das Messergebnis verfälschten könnten, zu unterdrücken.
Der optische Sensor 5 ist auf einem Schlitten 13 angebracht, der auf einer Führung 14 verschiebbar angeordnet ist. Darüber hinaus können auch geeignete Mittel bereitgestellt werden. um eine Höhenverstellung des optischen Sensors 5 in Bezug auf das Messobjekt 8 zu bewerkstelligen.
Die Kamera 7 kann vorzugsweise als CCD- oder CMOS-Kamera ausgebildet werden.
Kamera 7 und Linienprojektor 6 stehen in einem Winkel größer als 0° und kleiner als 90° zueinander, wobei in dieser ersten Ausführungsform ein Winkel von 15° bis 60° zu bevorzugen ist, um den Bauraum des optischen Sensors 5 klein zu halten. Noch mehr bevorzugt ist ein Winkel in einem Bereich von 25° bis 45° und am meisten bervorzugt ein Winkel von etwa 30° zu bevorzugen ist
Der Linienprojektor 6 bzw. seine Lichtlinie 9 können senkrecht zu einer Bezugsoberfläche des Messobjekts 8 stehen, wobei die Bezugsoberfläche des Messobjekts 8 eine ist, die parallel zur Vorderseite des Gehäuses 15 des optischen Sensors 5 verläuft. Eine Neigung des Linienprojektors 6 bzw. seiner Lichtlinie 9 von der Senkrechten zur Bezugsoberfläche des Messobjekts 8 von etwa 1° bis etwa 3° ist insofern vorteilhaft, da störende Reflexionen, die abhängig von der Materialbeschaffenheit des Messobjekts 8 auftreten können, vermieden werden.
In einer Alternative zur ersten Ausführungsform sind Kamera 7 und Linienprojektor 6 in etwa symmetrisch zu einer Bezugsoberfläche des Messobjekts 8 angebracht, wobei der Winkel dazwischen bevorzugt 15° bis 60°, mehr bevorzugt 25° bis 45° und noch stärker bevorzugt etwa 30° beträgt.
Die Kamera 7 kann derart gestaltet werden, dass jeder Schnittpunkt des Messobjekts 8 mit der Ebene des Lichtprojektors 6 scharf abgebildet wird.
Das Sensorelement 2 ist vorzugsweise als flächiger Sensor und nicht als Zeilen-Sensor ausgebildet. Der flächige Sensor kann als CCD- oder CMOS-Sensor ausgebildet werden.
Die Neigung des Sensorelement 2 in Bezug auf die optische Achse 3 der Kamera 7 wird als erstes festgelegt, so dass der Versatz v bei festgelegter Neigung (und somit in einer festgelegten Ebene) erfolgt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Anordnungen beschränkt, die nur mit einer festen Neigung des Sensorelement 2 betrieben werden und es ist vielmehr beabsichtigt, dass Mittel zur Festlegung der Neigung abhängig von dem zu erzielenden Tiefenbereich des optischen Sensors bereitgestellt werden.
Dadurch, dass keine Winkel und kein Abstand im erfindungsgemäßen optischen Sensor absolut festgelegt sind, kann dieser gut an veränderte Messaufgaben angepasst werden, und selbst wenn bei einem fertigen optischen Sensor Winkel und Abstände, bedingt durch die Abmessungen des Gehäuses, in einem begrenzten Umfang veränderlich sind, erfüllt der gegenwärtige optische Sensor voll und ganz die gestellten Aufgaben.
Der erfindungsgemäße optische Sensor erlaubt eine präzise und einfache Abstandseinstellung, die bei Profilieranlagen, wo der Sensor auf unterschiedliche Dimensionen einzustellen ist, oder bei Biegevorrichtungen, wo der Sensor für unterschiedliche breite Werkzeuge oder für bewegte Objekte einzustellen ist, besonders vorteilhaft ist. Auch ist die Höheneinstellung des Sensors vorteilhaft in Verbindung mit Profilieranlagen, um Sensoren auf unterschiedliche Dimensionen einzustellen oder bei Biegevorrichtungen für unterschiedlich hohe Werkzeuge. Der erfindungsgemäße Sensor gestattet auch das Verfahren längs des Messobjekts (Werkstücks) um unterschiedliche Positionen zu messen.
Die durch den erfindungsgemäßen optischen Sensor gelieferten Messwerte können zur Berechnung der Ausgabeparameter für die Steuerung von Kalt- und Warmwalzvorrichtungen, sowie für Drahtzieh-, Drahtwalz- und Blechbiegevorrichtungen verwendet werden, und zwar je nach Aufgabe und Einsatzzweck und unter Berücksichtigung von weiteren Messwerten, wie z. B. Kräften und Momenten der Vorrichtung – Antriebsleistung/Temperatur. Das berechnete Messergebnis wird an die Steuerung der Vorrichtung zurückgeführt und der Umformprozess geregelt. So kann z. B. der Biegewinkel an die Steuerung der Biegevorrichtung zur Kontrolle des Biegewinkels oder Position der Rollenwerkzeuge nachgeführt werden. Das berechnete Messergebnis kann auch:
für eine Gut-Schlecht-Analyse und/oder Anzeige,
für eine In-Line-Messung, d. h. eine Messung in der Vorrichtung während der Produktion,
für eine Off-Line-Messung, d. h. eine Messung außerhalb der Maschine und des Produktionsprozesses, z. B. zur Qualitätskontrolle,
für eine statistische Auswertung auch mit Übergabe an Auswertesysteme des Verlaufs der Messung über Weg/Zeit, z. B. letzte 100 m Messung zur Erstellung empirischer Verteilungsfunktionen,
für eine Auswertung und Ergebnispräsentation,
für die Ausgabe der Ergebnisse über Drucker,
für eine Gut-Schlecht-Aussage,
für eine statistische Auswertung (Teilestatistik), z. B. Histogrammfunktion für einzelne Merkmale,
für die Ausgabe einer Messdatendatei für Querschnitt zu einem CAD System,
für die Ansteuerung für optische oder akustische Signale (Lampen, LEDs, Hupen...), oder
für eine SPC-Schnittstelle
verwendet werden.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die 5 erläutert wird, ist der optische Sensor mit einem zweiten Bildaufnahmeelement 7' ausgestattet, das ebenfalls als Kamera ausführbar ist. Die Kamera 7' umfasst ähnlich zur ersten Kamera 7 eine Objektivanordnung 19', das die dicke Linse 4 und möglicherweise eine Blende 16' einschließt, und ein Sensorelement 2'. Darüber hinaus kann die zweite Kamera 7' eine Auswerteschaltung 10' umfassen, obgleich es zu bevorzugen ist eine gemeinsame externe Auswerteschaltung für beide Kameras zu haben. Die Kameras 7 und 7' können symmetrisch zur Lichtlinie 9 angeordnet werden oder in unterschiedlichen Winkeln wie z. B. 30° und 60°. Ein optischer Filter 12', der eine ähnliche Funktion hat wie der optische Filter 12 kann ebenfalls bereitgestellt werden. Die Kameras 7 und 7' können unterschiedliche Brennweiten haben, um unterschiedliche Tiefenbereiche zu erfassen.
Eine Messanordnung, die mit optischen Sensoren der ersten oder der zweiten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut werden kann, ist unter Bezugnahme auf die 6 beschrieben. Die optischen Sensoren 5 sind in der abgebildeten Ausführung in einem Winkel von 120° angeordnet und auf einer Führung 14 linear verschiebbar. Auch eine Verstellung in senkrechter Richtung zur Führung, wie durch die Pfeile 17 gezeigt, ist vorgesehen. Obwohl in der Ausführung der 6 die Anzahl der optischen Sensoren drei beträgt, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass ihre Anzahl je nach zu erfassendem Messobjekt 8 variierbar ist. So wäre es denkbar die Messanordnung mit einem einzigen optischen Sensor oder mit zwei gegenüberliegenden optischen Sensoren oder mit vier, in einem Winkel von 90° verteilten optischen Sensoren usw. auszubilden. Die optischen Sensoren können vorteilhaft mit Bildaufnahmeelementen mit unterschiedlichen Brennweiten ausgestattet werden.
Bei dem erfindungsgemäßen optischen Sensor wird das Kamerabild durch den Aufnahmewinkel der Kamera sowie durch die optischen, geometrischen und digitalen Eigenschaften der Kamera verzerrt. Um aus den Koordinaten des Kamerabildes die realen Koordinaten und damit die tatsächliche Geometrie des Messobjektes berechnen zu können, ist eine Transformation oder eine Kalibrierung der Kamera notwendig. Besonders vorteilhaft ist eine Kalibrierung, bei der ein Kalibrierbild in Form eines Musters mit einer bestimmten Geometrie verwendet wird.
Aus diesem Kalibrierbild und aus dem aufgezeichneten Bild des Musters mit einer bestimmten Geometrie verwendet kann alsdann mittels einer für den Fachmann bekannten Koordinatentransformation mit Polynomen des n-ten Grads eine Kalibriermatrix ermittelt werden. Alternativ dazu ist beispielsweise eine Kalibrierung der Kamera nach Tsai möglich (siehe "A Versatile Camera Calibration Technique for High-Accuracy 3D-Machine Vision Metrology Using Off-the-shelf" TV-Cameras and Lenses", IEEE Journal of Robotic and Automation, Band RA-3, Nr. 4, August 1987, Seiten 323 ff.).
Wenn in irgendeinem der Ansprüche erwähnte technische Merkmale mit einem Bezugszeichen versehen sind, wurden diese Bezugszeichen lediglich eingeschlossen, um die Verständlichkeit der Ansprüche zu erhöhen. Entsprechend haben diese Bezugszeichen keine einschränkende Auswirkung auf den Schutzumfang eines jeden Elements, das exemplarisch durch solche Bezugszeichen bezeichnet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4439307 C2 [0002, 0004, 0005, 0006, 0007, 0008, 0013, 0019, 0028]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ”A Versatile Camera Calibration Technique for High-Accuracy 3D-Machine Vision Metrology Using Off-the-shelf” TV-Cameras and Lenses”, IEEE Journal of Robotic and Automation, Band RA-3, Nr. 4, August 1987, Seiten 323 ff. [0050]

Claims

Optischer Sensor (5) zum Vermessen von Profilen nach dem Prinzip des Lichtschnittverfahrens, der folgendes umfasst: mindestens einen Linienprojektor (6), der eine Lichtlinie (9) auf ein Messobjekt (8) ausstrahlt, dessen Profil zu vermessen ist; mindestens ein Bildaufnahmeelement (7) mit einem Sensorelement (2) und einer Objektivanordnung (19) zur Erfassung des reflektierten Strahls des Messobjekts (8), wobei das Sensorelement (2) nicht parallel zur Ebene der Objektivanordnung (19) angebracht ist, und wobei das Sensorelement (2) in Bezug auf die optische Achse (3) des Bildaufnahmeelements (7) in einer Ebene (A'-B') verschiebbar gelagert ist, so dass der Tiefenbereich des Bildaufnahmeelements (7) justierbar ist.
Optischer Sensor (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektivanordnung (19) eine dicke Linse (4) umfasst.
Optischer Sensor (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektivanordnung (19) eine Blende (16) umfasst.
Optischer Sensor (5) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der optischen Achse (3) des Bildaufnahmeelements (7) und der Lichtlinie (9) des Linienprojektors (6) in einem Bereich von 15° bis 60° und vorzugsweise in einem Bereich von 25° bis 45° liegt.
Optischer Sensor (5) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der optischen Achse (3) des Bildaufnahmeelements (7) und der Lichtlinie (9) des Linienprojektors (6) in etwa 30° beträgt.
Optischer Sensor (5) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (5) in einem Gehäuse (15) untergebracht ist und dass am Gehäuse (15) optische Filter (11, 12) jeweils in Ausrichtung mit der optischen Achse (3) des Bildaufnahmeelements (7) und der Lichtlinie (9) des Linienprojektors (6) angebracht sind, die auf die Wellenlänge des Linienprojektors (6) abgestimmt sind.
Optischer Sensor (5) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (5) zwei Bildaufnahmeelemente (7, 7') umfasst, die symmetrisch oder asymmetrisch zur Lichtlinie (9) des Linienprojektors (6) angeordnet sind und/oder dadurch dass die Bildaufnahmeelemente (7, 7') unterschiedliche Brennweiten haben.
Optischer Sensor (5) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung der Lichtlinie (9) des Linienprojektors (6) von einer Senkrechten zu einer Bezugsoberfläche des Messobjekts (8), die parallel zur Vorderseite des Gehäuses (15) des optischen Sensors (5) verläuft, etwa 1° bis etwa 3° beträgt.
Optischer Sensor (5) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildaufnahmeelement (7) und der Linienprojektor (6) im Wesentlichen symmetrisch zu einer Bezugsoberfläche des Messobjekts (8) angebracht sind, die parallel zur Vorderseite des Gehäuses (15) des optischen Sensors (5) verläuft.
Optischer Sensor (5) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) als flächiger CCD- oder CMOS-Sensor ausgebildet ist.
Optischer Sensor (5) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel umfasst, um das Sensorelement (2) mechanisch oder elektronisch zu verschieben und/oder Mittel umfasst, um den Neigungswinkel des Sensorelements (3) in Bezug auf die optische Achse (3) des Bildaufnahmeelements (7) einzustellen.
Messanordnung umfassend mindestens einen optischen Sensor (5) nach einem oder mehreren der vorangehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (5) auf einem Schlitten (13) angebracht ist, der auf einer Führung (14) verschiebbar ist und dadurch, dass der optische Sensor (5) in Bezug auf die Führung (14) Höhenverstellbar angeordnet ist.
Messanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von Sensoren (5) umfasst.
Messanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie drei Sensoren (5) umfasst, die in einem Winkel von 120° angeordnet sind.
Verfahren zum Vermessen von Profilen nach dem Prinzip des Lichtschnittverfahrens, das folgende Schritte umfasst: Ausstrahlen einer Lichtlinie (9) auf ein Messobjekt (8), dessen Profil zu vermessen ist; Erfassen des reflektierten Strahls vom Messobjekt (8) mit mindestens einem Bildaufnahmeelement (7), das ein Sensorelement (2) und eine Objektivanordnung (19) umfasst, wobei das Sensorelement (2) nicht parallel zur Ebene der Objektivanordnung (19) angebracht ist; und Verschieben des Sensorelements (2) in Bezug auf die optische Achse (3) des Bildaufnahmeelements (7) in einer Ebene (A'-B'), um den Tiefenbereich des Bildaufnahmeelements (7) zu justieren.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektivanordnung (19) eine dicke Linse (4) und/oder eine Blende (16) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der optischen Achse (3) des Bildaufnahmeelements (7) und der Lichtlinie (9) in einem Bereich von 15° bis 60° und vorzugsweise in einem Bereich von 25° bis 45° liegt.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der optischen Achse (3) des Bildaufnahmeelements (7) und der Lichtlinie (9) in etwa 30° beträgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung der Lichtlinie (9) von einer Senkrechten zu einer Bezugsoberfläche des Messobjekts (8), die parallel zur Vorderseite eines Gehäuses (15) des optischen Sensors (5) verläuft, etwa 1° bis etwa 3° beträgt und/oder dadurch, dass das Bildaufnahmeelement (7) und die Lichtlinie (5) im Wesentlichen symmetrisch zu einer Bezugsoberfläche des Messobjekts (8) angebracht sind, die parallel zur Vorderseite eines Gehäuses (15) des optischen Sensors (5) verläuft.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) als flächiger CCD- oder CMOS-Sensor ausgebildet ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung des Sensorelements (2) mechanisch oder elektronisch erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt der Kalibrierung des Bildaufnahmeelements (7) mittels eines Kalibrierbildes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibrierbild in Form eines Musters mit einer bestimmten Geometrie verwendet ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt der Einstellung des Neigungswinkels des Sensorelements (3) in Bezug auf die optische Achse (3) des Bildaufnahmeelements (7) vor dem Schritt der Verschiebung umfasst.