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Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten mit einem topometrischen Sensor, der mindestens eine Projektionseinheit zur Projektion eines Musters auf ein Objekt und mindestens eine Bildaufnahmeeinheit hat, wobei die Projektionseinheit mindestens eine Laserlichtquelle und einen mit der Laserlichtstrahlung der mindestens einen Laserlichtquelle beaufschlagbaren Mustergenerator aufweist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten mit einer solchen Messeinrichtung.
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Die dreidimensionale optische Erfassung von Objektoberflächen mittels optischer Triangulationssensoren nach dem Prinzip der Topometrie ist hinreichend bekannt. Hierbei werden Muster insbesondere Streifenmuster auf das zu vermessende Objekt projiziert. Das rückgestreute Muster wird von einer oder mehreren Bildaufnahmeeinheiten (in der Regel Kameras), aufgenommen und anschließend durch eine Bildauswerteeinheit ausgewertet.
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Die durch die Projektionseinheit projizierten Muster können mannigfaltig ausgestaltet sein. Typische projizierte Muster sind stochastische aber auch regelmäßige Muster (z. B. Punkt- und Streifenmuster). Insbesondere Streifenmuster haben sich als gängiges Muster im Rahmen der optischen 3D-Messung etabliert.
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Durch das projizierte Muster entsteht auf dem zu vermessenden Objekt eine künstliche, temporäre Textur. Diese wird durch eine oder mehrere Bildaufnahmeeinheiten erfasst. Anhand der künstlich erzeugten, im Allgemeinen a priori bekannten Textur können beleuchtete 3D-Punkte auf dem zu vermessenden Objekt eindeutig sowohl in der Projektionseinheit als auch der einen oder mehreren Bildaufnahmeeinheiten identifiziert werden.
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Durch ein Triangulationsverfahren (im Allgemeinen durch Vorwärtsschnitt) können die 3D-Koordinaten bestimmt werden. Dazu muss der gleiche Objektpunkt in mindestens zwei räumlich verschiedenen Aufnahmepositionen gemessen werden. Die Projektionseinheit kann dabei als inverse Kamera fungieren, so dass zur Bestimmung der 3D-Koordinaten die Messung mit einer Kamera ausreicht. In vielen Fällen kann es jedoch hilfreich sein, mehrere Kameras zur Erfassung der projizierten Textur zu verwenden. Insbesondere kann es sinnvoll sein, die Projektionseinheit einzig als Texturgeber zu nutzen und nicht bei der 3D-Punkt-Berechnung zu berücksichtigen, da die innere und äußere Orientierung des Projektors aufgrund seiner im Vergleich zu einer Kamera großen Masse und höheren Temperatur (aufgrund der Strahlungsquelle) häufig instabiler als für die beteiligten Kameras ist.
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Die Projektionseinheit umfasst zwei Kernbestandteile. Diese sind die Beleuchtungseinheit und der Mustergenerator. Die Beleuchtungseinheit stellt elektromagnetische Strahlung bereit. Je nach Ausführung der Beleuchtungseinheit wird elektromagnetische Strahlung mit charakterisierenden Eigenschaften erzeugt. Diese sind insbesondere der Wellenlängenbereich in dem die Lichtquelle Strahlung emittiert sowie die Leistung (je nach Fachgebiet auch als Strahlungsfluss oder Leuchtdichte bezeichnet).
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Der Mustergenerator kann mannigfaltig ausgestaltet sein. So können z. B. Glasdias verwendet werden, welche das zu projizierende Muster enthalten. Es ist ebenfalls möglich, dass das Dia bezüglich der Lichtquelle in Bewegung gebracht wird (z. B. Rotation und/oder Translation). Darüber hinaus können programmierbare Displays wie Liquid-Crystal-On-Silicon (LCOS), Liquid-Crystal-Display (LCD) und digitale Mikrospiegeleinheiten (Digital Micromirror Device – DMD) eingesetzt werden. Programmierbare Displays bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber analogen Mustergeneratoren. Insbesondere können prinzipiell unendlich verschiedene Muster projiziert werden.
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Topometrische Sensoren arbeiten zu großer Mehrheit im Bereich des sichtbaren Lichtes. Dabei gibt es sowohl Systeme, die das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichtes nutzen (Weißlicht) aber auch einzelne schmalbandige Bereiche (z. B. Rot-, Grün- oder Blaulicht). Vorbekannt sind auch Systeme, die im nahen Infrarot oder im Ultraviolett-Bereich arbeiten.
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Die Begrenzung auf einen schmalbandigen Bereich des Spektrums birgt einige Vorteile. So werden fehlerhafte Bildpunktmessungen aufgrund von chromatischer Abberation und Umgebungslichteinfluss deutlich reduziert. Andererseits können gegebenenfalls Objekte mit spezifischer Farbe nicht mehr erfolgreich vermessen werden (z. B. rotes Objekt beleuchtet mit einer grünen Lichtquelle) und es treten sogenannte Speckle auf.
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Typischerweise wird die Projektionseinheit so konzipiert, dass die Beleuchtungseinheit eine hohe nutzbare Leistung generiert. Dadurch wird ebenfalls der negative Umgebungslichteinfluss minimiert. Weiterhin ermöglicht eine hohe Lichtleistung kurze Belichtungszeiten. Dadurch ist das topometrische System robust gegen Relativbewegungen zwischen topometrischem Sensor und zu vermessendem Objekt. Weiterhin können so auch Objekte mit für das Messverfahren ungünstigem Reflexionsverhalten (z. B. gerichtete Reflexion, dunkle Objekte) gemessen werden. Weiterhin kann je nach Ausführung des Sensors der Arbeitsabstand zum Messobjekt beziehungsweise das Messvolumen vergrößert werden.
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Vorbekannt sind eine Reihe von Beleuchtungseinheiten mit verschiedenartigen Lichtquellen innerhalb einer Projektionseinheit. Diese sind zum Beispiel Halogenlampe, Kurzbogenlampe, Metalldampflampe und Leuchtdiode. Vorbekannt ist auch der Einsatz eines Lasers in einer Projektionseinheit. Es handelt sich hierbei um Licht, welches durch stimulierte Emission erzeugt wird. Aufgrund der Erzeugung zeichnet sich die Laserstrahlung durch mehrere charakteristische Eigenschaften aus, welches Licht der vorgenannten Quellen im Allgemeinen nicht aufweist. So erzeugt der Laser kohärente Strahlung, also Strahlung gleicher Phasenlage. Zudem bewegt sich die emittierte Strahlung innerhalb eines engen Frequenzbandes. Man spricht auch von monochromatischem bzw. schmalbandigen Licht. Die emittierte Hauptwellenlänge hängt dabei vom aktiven Medium ab (z. B. Helium-Neon-Laser: 632,8 nm).
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Aufgrund des engen Frequenzbereiches interferieren die Laserstrahlen gewöhnlich sichtbar miteinander. Als charakteristisches Kriterium wird die Kohärenzlänge verwendet. Sie bezeichnet die maximale Weglänge bei der für zwei Lichtstrahlen aus der gleichen Lichtquelle noch ein Referenzmuster entsteht. Die Kohärenzlänge steigt, je schmalbandiger die Lichtquelle ist.
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Die Messgenauigkeit eines topometrischen Sensors ist nicht zuletzt abhängig von der Güte des projizierten Musters. Eine homogene Lichtquelle ohne Interferenzmuster ist am besten geeignet, das durch den Mustergenerator bereitgestellte Muster unverfälscht zu projizieren. Treten hingegen Interferenzmuster auf, so resultieren sie in einer ungleichmäßigen Ausleuchtung und ergeben in Kombination mit dem bereitgestellten Muster ein Mischsignal.
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Vorbekannt sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bei denen ein schmalbandiger Laser als Lichtquelle eingesetzt wird. Dabei treten unerwünschte Interferenzen auf, die sich auf einer Objektoberfläche als ungleichmäßige, körnige Ausleuchtung widerspiegeln. Man spricht von sogenannten Specklemustern. Bei der Verwendung eines schmalbandigen Lasers muss dieser physikalische Effekt berücksichtigt werden. Diesbezüglich gibt es verschiedene Methoden, wobei diese sich grob in zwei Strategien unterteilen lassen. Eine Strategie ist das Ausnutzen der Interferenz von schmalbandigen Lasern z. B. zur direkten Erzeugung von Streifen oder anderen Interferenzmustern. Die zweite Strategie beinhaltet das Ergreifen von geeigneten Maßnahmen, um Specklemuster zu reduzieren bzw. zu verhindern.
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Aus Joseph W. Goodman: Speckle phenomena in optics, theory and applications, 2007, ISBN: 0-9747077-9-1 ist bekannt, dass sich das Specklemaß durch Nutzung mehrerer schmalbandiger Laserlichtquellen nach einer Faustformel mit dem Faktor 1/n1/2 mit der Anzahl der Laserlichtquellen reduziert, wobei n der Anzahl der verwendeten, schmalbandigen Laserlichtquellen entspricht.
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In Duan Xiao-jie, Duan Fa-jie und Lv Chang-rong: Phase stabilizing method based on PTAC for fiber-optic interference fringe projection profilometry, Optics & Laser Technology, Volume 47, April 2013, Seiten 137 bis 143 ist ein System zur topmetrischen Vermessung von Objekten offenbart, bei dem ein Laserlichtstrahl durch einen Strahlteiler aufgespalten wird. Anschließend werden die beiden Strahlen jeweils getrennt über einen Lichtleiter zu einem Doppelspalt geführt. Die beiden Strahlen interferieren dort miteinander und erzeugen ein Streifenmuster, welches in bekannter Weise auf ein Objekt projiziert und anschließend von einer Kamera aufgenommen wird. Anhand der Bestimmung von homologen Bildpunkten durch Auswertung der Streifenmuster in Kamera und Projektor können bei bekannter innerer und äußerer Orientierung von Kamera und Projektor 3D-Koordinaten des Objekts berechnet werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass die exakte Erzeugung von mehreren Streifenmustern mit einem vorgegebenen Phasenunterschied Δφ mit einem hohen technischen Aufwand verbunden ist. Weiterhin nimmt die Amplitude des erzeugten Sinus-Signals zu beiden Seiten deutlich ab.
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In Martin Schaffer, Marcus Große, Bastian Harendt und Richard Kowarschik: Outdoor three-dimensional shape measurements using laser-based structured illumination, Optical Engineering, Volume 51, Issue, OE Letters, September 2012 ist ein topometrisches optisches Messverfahren beschrieben, bei der Strahlung einer Laserlichtquelle auf einen Diffusor fokussiert wird. Hier treten pseudozufällige Interferenzmuster auf, die sich in Abhängigkeit von der Ausrichtung des Diffusors zum Laserstrahl ändern. Durch eine weitere Optik wird das Interferenzmuster auf das zu vermessende Objekt projiziert. Zwei ortsfest zueinander angeordnete Kameras erfassen das rückgestreute Signal des Objektes. Im Folgenden wird eine Reihe von Messbildern durch die beiden Kameras aufgenommen, wobei der Diffusor durch eine entsprechende technische Vorrichtung in der Lage bezüglich des auftreffenden Laserstrahls verändert wird. Dadurch wird für jede i.-te Messung ein eigenes Interferenzmuster erzeugt. Im Gegensatz zu dem oben diskutierten, in Duan Xiao-jie et al. (2013) offenbarten System ist die exakte Kenntnis des projizierten Interferenzmusters unerheblich, da die 3D-Punkt-Berechnung ausschließlich die aufgenommenen Kamerabilder berücksichtigt. Zu den Nachteilen dieses Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung zählt, dass das projizierte Muster nicht bekannt ist. Der Projektor kann somit nicht als inverse Kamera eingesetzt werden, so dass immer mindestens zwei Kameras benötigt werden. Weiterhin kann keine wie bei der Streifenprojektion übliche pixelweise Auswertung und 3D-Punkt-Berechung erfolgen, da nur Matching-Verfahren eingesetzt werden können, um das pseudo-stochastische Muster auszuwerten. Dadurch wird sowohl die Ortsauflösung als auch die Messgenauigkeit begrenzt.
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Während die topometrischen Messverfahren von Duan Xiao-jie et al. (2013) und Schaffer et al. (2012) auf verschiedene Weise die Interferenzeigenschaften eines schmalbandigen Lasers zur Mustererzeugung ausnutzen, wird in Christoph Ohrt, Wito Hartmann, Johannes Weickmann, Markus Kästner, Albert Weckenmann, Tino Hausotte und Eduard Reithmeier: Holistic measurement in the sheet-bulk metal forming process with fringe projection, Procceedings ESAFORM 15th ESAFORM conference, März 2012, Seiten 1005–1010 eine Messeinrichtung vorgestellt, die durch geeignete technische Maßnahmen versucht, auftretende Specklemuster zu unterdrücken. Dort ist ein System zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten mit einer Laserlichtquelle in Kombination mit einer digitalen Mikrospiegeleinheit beschrieben. Eine solche digitale Mikrospiegeleinheit wird auch als „Digital Micromirror Device” DMD bezeichnet. Er besteht im Wesentlichen aus einem Flächenlichtmodulator, der aus matrixförmig angeordneten Mikrospiegelaktoren, das heißt verkippbar spiegelnden Flächen gebildet ist. Die Ausrichtung der Vielzahl von einzeln bewegbaren Spiegeln ist durch digitale Ansteuerung einzeln anpassbar. Das Laserlicht wird auf eine rotierende Diffusorscheibe projiziert. Hier ergeben sich zeitlich veränderte Interferenzmuster, welche nachfolgend auf ein schaltbares Display (z. B. eine digitale Mikrospiegeleinheit – DMD) geleitet werden. Der DMD generiert durch die separate Steuerung jedes einzelnen Spiegels ein Streifenmuster, welches über eine Vielzahl von Lichtleitern (ca. 100.000 einzelne Leiter) zu einer Optik geleitet und dort auf das zu messende Objekt projiziert wird. Über eine analoge Lichtleiter-Optik-Konfiguration wird das reflektierte Licht auf einen CCD-Sensor übertragen. Gleichartig zu Duan Xiao-jie et al. (2013) können 3D-Koordinaten des Objektes durch Auswertung der Streifeninformation und bekannter innerer und äußerer Orientierungsparameter berechnet werden. Die Specklemuster werden bei diesem Verfahren und der Vorrichtung dadurch unterdrückt, dass zwar das zu einem Zeitpunkt t0 auf den DMD projizierte schmalbandige Laserlicht ein bestimmtes Specklemuster aufweist, jedoch die projizierte Lichtenenergie über einen gewissen Integrationszeitraum aufgrund des zeitlich variierenden Specklemusters für jeden Lichtkegelbereich sehr ähnlich ist. Da die Kamera nicht für einen Einzelzeitpunkt ti sondern immer für einen Belichtungszeitraum Photonen einsammelt, kann so zeitlich eine relativ gleichmäßige Ausleuchtung erzielt werden. Der Nachteil dieses Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung ist, dass Specklemuster bei kurzen Belichtungszeiten dennoch sichtbar auftreten können und das Messergebnis verfälschen.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Messeinrichtung und ein verbessertes Verfahren zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten mit einem topometrischen Sensor zu schaffen, um unter Einsatz einer Laserlichtquelle eine homogene, specklearme Ausleuchtung bei gleichzeitig hoher Lichtleistung zu ermöglichen, ohne dass aufwendige Anti-Speckle-Maßnahmen notwendig sind.
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Die Aufgabe wird durch die Messeinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 14 erfüllt. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Projektionseinheit zur Beaufschlagung des Mustergenerators mit derart breitbandiger Laserlichtstrahlung eingerichtet ist, dass eine topometrische Auswertung des vom Objekt rückgestreuten und von der mindestens einen Bildaufnahmeeinheit aufgenommenen Musters ohne weitere Maßnahmen zur Beseitigung der Effekte von Interferenzen in der mindestens einen Bildaufnahmeeinheit und/oder bei der Bildauswertung möglich ist. Mit Hilfe einer breitbandigen Laserlichtstrahlung gelingt eine von Interferenzeffekten unbeeinflusste Musterprojektion und eine bezüglich von Interferenzerscheinungen effektiv ungestörte Bildaufnahme und anschließende Bildauswertung.
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Als Beleuchtungsquelle der Projektionseinheit wird bevorzugt eine breitbandige Laserlichtquelle verwendet. Eine solche breitbandige Laserlichtquelle sollte einen Frequenzbereich haben, der vorzugsweise nicht deutlich kleiner als der Frequenzbereich einer Leuchtdiode (LED) mit typischerweise etwa 30 nm ist. Aufgrund des im Vergleich zu schmalbandigen Laserlichtquellen, die innerhalb eines Toleranzbandes Laserlicht mit einer einzigen bevorzugten Frequenz emittieren, deutlich breiteren Frequenzbereiches ist die Kohärenzlänge so klein, dass messtechnisch störende Specklemuster deutlich reduziert sind. Der Frequenzbereich ist vorzugsweise größer 20 nm, bevorzugt größer 40 nm und sollte je nach Anwendung ggf. auch mehr als 60 nm betragen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Mustergenerator als digitale Mikrospiegeleinheit (DMD) ausgestaltet ist. Dadurch können ohne Änderung von Hardware durch einfache, programmierbare Ansteuerung sehr viele verschiedene Muster insbesondere auch Streifenmuster je nach Anwendung projiziert werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn mehrere Laserlichtquellen mit verschiedenen Wellenlängenbereichen eingesetzt werden. Dabei ist es sowohl möglich, mehrere Laserlichtquellen mit sehr ähnlicher Hauptwellenlänge als auch sehr ungleicher Hauptwellenlänge zu verwenden. Günstigerweise besitzen alle Einzellaser jeweils selber ein relativ breites Frequenzspektrum. Durch die Kombination mehrerer Laserlichtquellen wird das genutzte Frequenzspektrum erweitert, so dass die Kohärenzlänge verringert und somit die Specklebildung deutlich reduziert wird. Mehrere Laserlichtquellen mit sehr ähnlicher Hauptwellenlänge sind dann sinnvoll, wenn mit einem begrenzten Wellenlängenbereich projiziert werden soll z. B. eine sichtbare Grundfarbe wie Blau, Grün oder Rot. Mehrere Laserquellen mit sehr ungleicher Hauptwellenlänge sind vorzuziehen, wenn ein sehr großer Wellenlängenbereich messtechnisch genutzt werden soll z. B. weißes Licht.
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Vorteilhaft können auch ein oder mehrere gepulste Laser eingesetzt werden. Dabei ist es heutzutage technisch möglich, Pulszeiten von unter 100 fs (1 fs entspricht 10–15 s) zu realisieren. Das entspricht einer Pulslänge von kleiner gleich 0,3 μm. Die Laser werden auch als sogenannte Femtolaser bezeichnet. Gemäß dem Zeit-Bandbreite-Produkt steigt die Bandbreite eines Laserpulses mit abnehmender Pulslänge. Durch die extrem kurzen Pulszeiten ist die entstehende Laserstrahlung sehr viel breitbandiger als Laserstrahlung mit deutlich längeren Pulszeiten. Beispielsweise beträgt die Bandbreite eines Pulses mit einer Pulsdauer von 50 fs bei einer Wellenlänge von 500 nm ca. 33 nm. In einer vorteilhaften Ausführung werden deshalb ein oder mehrere Femtolaser als breitbandige Laserlichtquelle eingesetzt.
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Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn das Licht einer oder mehrerer Laserlichtquellen durch ein geeignetes Medium gelenkt wird. Sofern die Leistungsdichte hoch genug ist (z. B. ≥ 105 W/cm2), sind die physikalischen Effekte (Absorption, Reflektion, Brechung, Streuung) beim Auftreffen des Lichts nicht mehr proportional zu den einwirkenden Feldstärken, sondern es treten sogenannte nichtlineare Effekte auf. So können durch Interaktion des Laserstrahls mit dem Medium weitere Lichtstrahlen mit einer anderen Wellenlänge generiert werden. Vorteilhaft sind z. B. generell bekannte Verfahren für die dreidimensionale optische Musterprojektionsmessung nutzbar, bei denen Oberwellen des Ausgangssignals als multiple Vielfache der Eingangsfrequenz erzeugt werden. Es ist weiterhin möglich, für zwei oder mehrere Lichtquellen verschiedene Linearkombinationen der Eingangsfrequenzen zu erzeugen. Durch eine an die jeweilige Anforderung angepasste, geeignete Wahl von Eingangsfrequenzen in Kombination mit einem geeigneten Medium ist es somit möglich, zwei oder mehr ähnliche Frequenzen zu erzeugen, die zusammen als Lichtquelle für den Mustergenerator fungieren. Andere nichtlineare Effekte vergrößern direkt die Bandbreite eines Lasers. Die Vergrößerung der Bandbreite erfolgt in der Regel in Richtung der längeren Wellenlänge.
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Vorteilhaft ist es, wenn ein oder mehrere gepulste Laser in Kombination mit einer digitalen Mikrospiegeleinheit (DMD) als Mustergenerator eingesetzt werden. In diesem Fall ist es sinnvoll, dass die Steuerung der Spiegelelemente des DMD mit der Erzeugung des Laserpulses synchronisiert ist. Dadurch wird sichergestellt, dass das Laserlicht genau dann auf die Spiegelflächen projiziert wird, wenn diese sich in Sollposition befinden. In der Zeitepoche, in der die Spiegelflächen entsprechend neu eingestellt werden, wird dann genau kein Laserlicht auf diese projiziert.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Pulsenergie der erzeugten Laserpulse variiert wird. Dadurch ist es möglich, mehrere unterschiedliche Graustufen in kürzerer Zeit mit Hilfe der digitalen Mikrospiegeleinheit DMD zu erzeugen. Zur Erzeugung von 8-bit tiefen Grauwertbildern werden bei konstanter Pulsenergie acht verschiedene Bitplanes (Bitebene), d. h. acht verschiedene zweidimensionale Felder aus 1-bit Informationen, benötigt, wobei jede nachfolgende Bitplane genau doppelt so lange, wie sein Vorgänger belichtet werden muss. Wenn die Energie von einem einzelnen Puls für das Least-Significant-Bit (= kürzest zu belichtende Bitplane) verwendet wird, werden für 8-bit Grauwerte (1 + 2 + 4 + 8 + 16 + 32 + 64 + 128 =) 255 Pulse benötigt. Durch die geschickte Variation der Pulsenergie kann die gleiche Grauwerttiefe in deutlich geringerer Zeit erzeugt werden. Daher sind wählbare bzw. definiert abschwächbare Pulse wünschenswert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Variation der Pulsenergie nicht direkt bei der Pulserzeugung erzielt, sondern durch einen nachgeschalteten Abschwächer (Attenuator). Dieses Bauteil erlaubt eine nachträgliche, steuerbare Abschwächung der Pulsenergie unabhängig von der Erzeugung des Laserpulses. Diese Ausführungsform bietet sich genau dann an, wenn die Laserlichtquelle bautechnisch nicht in der Lage ist, die Pulsenergie zu variieren.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird als Abschwächer eine digitale Mikrospiegeleinheit DMD (im Folgenden als „Abschwäch-DMD” bezeichnet) eingesetzt. Es wird das Licht der breitbandigen Laserlichtquelle mit Hilfe einer geeigneten Optik über den Abschwäch-DMD geleitet. Je nach gewünschter Abschwächung der Pulsenergie wird eine entsprechend relativ korrespondierende Anzahl an Spiegelelementen so geschaltet, dass von ihnen kein Licht in den weiteren Strahlengang transportiert wird. Für die korrekte Abschwächung der Pulsenergie ist es dabei erforderlich, dass der Abschwäch-DMD mit der breitbandigen Laserlichtquelle und entsprechend auch mit dem DMD zur Erzeugung des Musters synchronisiert wird. In der baulichen Ausgestaltung kann der Abschwäch-DMD an verschiedenen möglichen Stellen angeordnet werden. So kann es günstig sein, den Abschwäch-DMD direkt vor einem Homogenisierer zu platzieren, der dem DMD zur Mustererzeugung vorgeschaltet ist. Dadurch ist die Synchronisation zwischen dem Abschwäch-DMD und dem DMD zur Mustererzeugung in der Regel einfacher zu realisieren. Ebenfalls kann es sinnvoll sein, den DMD direkt nach der Beleuchtungsquelle anzuordnen. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine vorteilhafte räumliche Trennung zwischen Beleuchtungseinheit und Mustergenerator. Diese Ausführung ermöglicht eine kompaktere und leichtere Ausführung des Sensorkopfes und bietet damit erhebliche Vorteile hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten (z. B. Messung des Interieurs in einem Automobil). Beim Einsatz mehrerer breitbandiger Laserlichtquellen kann es vorteilhaft sein, entsprechend der vorherigen Beschreibung genau einen Abschwäch-DMD einzusetzen, wobei das Laserlicht der verschiedenen Quellen vorher durch eine geeignete bauliche Ausgestaltung zusammengeführt wurde. Ebenfalls kann es vorteilhaft sein, pro breitbandiger Laserlichtquelle jeweils einen eigenen Abschwäch-DMD vorzusehen. Diese Ausführungsform bietet sich insbesondere dann an, wenn die Laserlichtquelle und der Abschwächer in einer baulichen Einheit modular zusammengefasst werden sollen.
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Weiterhin ist es für alle vorgenannten Ausführungsformen vorteilhaft, wenn in dem Strahlengang vor der Illuminierung des Mustergenerators und insbesondere eines DMD als Mustergenerator mindestens eine Photodiode eingebaut ist. Diese misst den Strahlungsfluss und kann damit direkt die Helligkeit des Laserlichts kontrollieren. Über einen Regelkreis wird diese Information genutzt, um die Helligkeit des Laserlichts durch Steuerung der Laserlichtquelle konstant zu halten. Damit wird gewährleistet, dass die projizierten Muster zeitlich konstant sind.
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In einer vorteilhaften Ausführung erfolgt die Lichtzuführung von der mindestens einen Laserlichtquelle zum Mustergenerator über ein oder mehrere Glasfasern insbesondere in Form einer Multimodefaser. Dadurch ergeben sich einige Vorteile. So können die mindestens eine Lichtlichtquelle und der Mustergenerator optional baulich entkoppelt werden. Dadurch ist es möglich, im eigentlichen Sensorkopf nur den Mustergenerator sowie die eine oder mehrere Bildaufnahmeeinheiten vorzusehen, während die mindestens eine Laserlichtquelle außerhalb des Sensorkopfs angeordnet wird. Dadurch wird die Masse des Sensorkopfs deutlich reduziert, wodurch die mechanische und thermische Stabilität verbessert und damit die relative Orientierung zwischen Projektor und der/den Bildaufnahmeeinheiten deutlich robuster ist. Weiterhin fördert die Multimodefaser eine Durchmischung der Lichtstrahlen und wirkt dadurch ohne Aufwand zusätzlich dem Speckle-Effekt entgegen. Eine vorteilhafte Trennung von Laserlichtquelle und Mustergenerator ist denkbar bei einem automatisierten Einsatz mit einem Roboter. Die Laserlichtquelle kann ortsfest zum Roboterfuß angeordnet sein, während die Multimodefaser sowie weitere Verbindungskabel (z. B. Stromversorgung und Triggersignalgeber) am/im Roboter angebracht zum Sensorkopf führen. Eine Beschädigung der Laserlichtquelle bzw. der Multimodefaser ist bei sorgsamer Anordnung faktisch ausgeschlossen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform werden mehrere Lichtquellen verwendet, wobei jede Lichtquelle über eine eigene Multimodefaser verfügt. Die Laserlichtquellen können dabei sowohl zusammenhängend oder räumlich entkoppelt ausgestaltet sein. Die Multimodefasern können nun einzeln zum Mustergenerator führen oder aber vorher zu einer großen Multimodefaser vereinigt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführung wird die Laserstrahlung der einen oder mehreren Multimodefasern auf einen Diffusor geführt. Ziel dieses Diffusors ist die Aufweitung der nahezu parallelen Laserstrahlung, so dass das Licht nachfolgend durch einen Homogenisierer geleitet werden kann, so dass das Licht anschließend eine einheitliche Intensität (Leistung pro Fläche) über die ausgeleuchtete Fläche aufweist. Im Gegensatz zu den vorbekannten Anwendungen wird der Diffusor hier nicht eingesetzt, um ein zeitlich variierendes Specklemuster zu erzeugen, sondern einzig mit dem Ziel, den Laserstrahl aufzuweiten. Messtechnisch relevante Specklemuster entstehen bei diesem Verfahren und dieser Vorrichtung praktisch nicht, da das Licht nicht schmalbandig ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit drei beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 – Skizze einer Vorrichtung zum dreidimensionalen optischen Vermessen mit einer breitbandigen Laserlichtquelle;
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2 – Skizze eines Strahlengangs in einer Projektionseinheit mit zwei breitbandigen Laserlichtquellen;
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3 – Skizze einer Messeinrichtung zum dreidimensionalen optischen Vermessen mit zwei breitbandigen Laserlichtquellen in einer automatisierten Ausführung.
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1 zeigt eine Messeinrichtung zum dreidimensionalen optischen Vermessen mit einer breitbandigen Laserlichtquelle. Der topometrische Sensor 1 zur berührungslosen Vermessung des Objektes 2 hat eine Projektionseinheit 3 sowie eine Bildaufnahmeeinheit 6. Die Projektionseinheit 3 besteht im Wesentlichen aus der Beleuchtungseinheit 5 sowie dem Mustergenerator 4. Sie ist so ausgestaltet, dass stochastische und oder regelmäßige Muster erzeugt und auf das zu messende Objekt 2 projiziert werden können. Die Beleuchtungseinheit 5 hat mindestens eine Laserlichtquelle und ist zur Ausstrahlung breitbandiger Laserlichtstrahlung eingerichtet, die einen Wellenlängenbereich von mindestens 30 nm im sichtbaren Licht umfasst. Aufgrund des für eine Laserlichtquelle breiten Frequenzspektrums treten keine messtechnisch relevanten Interferenzen auf. Der topometrische Sensor 1 wird durch eine Steuerungseinheit 7 (Controller) gesteuert. Die Auswertung der aufgenommenen Bilddaten der Bildaufnahmeeinheit 6 sowie der projizierten Musterdaten erfolgt durch eine Auswerteeinheit 8. Die Darstellung der Ergebnisse wird durch eine Darstellungseinheit 9 realisiert. Die Datenübertragung zwischen den einzelnen Komponenten erfolgt durch eine geeignete Kabelverbindung.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführung der Beleuchtungseinheit 5 und des Mustergenerators 4. Zwei gepulste Laserlichtquellen 10a und 10b erzeugen jeweils eine breitbandige Laserlichtstrahlung. Die Hauptwellenlänge beider Laserlichtquellen 10a und 10b liegt im blauen sichtbaren Wellenlängenbereich, wobei diese sich um einige wenige Nanometer unterscheiden. Die Laserlichtquellen 10a, 10b sind miteinander synchronisiert. Über jeweils eine Multimodefaser 11a und 11b werden die Laserstrahlen in eine Abschwächeinheit 12 geleitet, wobei im Strahlengang zwischen der jeweiligen Multimodefaser 11a und 11b und der Abschwächeinheit 12 jeweils ein Strahlungsflussmesselement beispielsweise in Form von Photodioden 18a und 18b, von Phototransistoren, Fotowiderständen oder anderen zur Strahlungsflussmessung geeigneten Bauelementen platziert ist, das den Strahlungsfluss eines oder mehrerer Laserpulse der jeweiligen Laserlichtquelle 10a und 10b misst, um die Helligkeit des Laserlichts zu kontrollieren. Über einen Regelkreis wird diese Information genutzt, um die Helligkeit des Laserlichts durch Steuerung der Laserlichtquelle 10a, 10b möglichst konstant zu halten. Die Abschwächeinheit 12 enthält insbesondere eine digitale Mikrospiegeleinheit (Digital Micromirror Device DMD), die mit den Laserlichtquellen 10a und 10b synchronisiert ist. Je nach gewünschter prozentualer Abschwächung des jeweiligen Laserpulses wird eine entsprechende Anzahl an Spiegeln der digitalen Mikrospiegeleinheit DMD so geschaltet, dass das von ihnen reflektierte Licht nicht im Strahlengang weiter transportiert wird. Nachfolgend wird das (ggfs. abgeschwächte) Laserlicht auf einen Diffusor 13 geleitet. Auf diesem entsteht kein messtechnisch zu berücksichtigendes Interferenzmuster, da beide Laserlichtquellen 10a, 10b diesbezüglich hinreichend breitbandiges Licht bereitstellen. Der Diffusor 13 weitet den Laserstrahl auf. Nachfolgend wird das aufgeweitete Licht in einen Homogenisierer 14 geleitet. Dort kommt es zu einer Vermischung der Strahlung, so dass das Licht nachfolgend eine einheitliche Intensität über die ausgeleuchtete Fläche aufweist. Anschließend fällt dieses Licht auf die bilderzeugende digitale Mikrospiegeleinheit DMD 15. Mit Hilfe der Optik 16 wird das Licht mit dem per DMD 15 erzeugten Muster auf das zu messende Objekt 2 projiziert.
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3 beinhaltet eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung. Der topometrische Sensor 1 ist auf einem Industrieroboter 17 montiert. Im Gegensatz zu 1 ist die Projektionseinheit in zwei räumlich getrennte Teile aufgesplittet. Die Beleuchtungseinheit 5 bestehend aus zwei gepulsten Laserlichtquellen 10a und 10b ist nicht im Sensorkopf verbaut, sondern ist ortsfest neben dem Industrieroboter platziert. Über jeweils eine Multimodefaser je Laserlichtquelle 10a und 10b wird das Laserlicht über den Roboter (z. B. ein im Innern des Roboters geführten Kabelstrang) zum topometrischen Sensor geführt. Parallel wird ebenfalls eine Stromversorgung und eine Steuerverbindung von der Steuerungseinheit 8 zum topometrischen Sensor 1 realisiert. Entsprechend der Beschreibung der 2 wird das Laserlicht über die beiden Multimodefasern auf den Mustergenerator 4 geführt und letztlich auf das zu vermessende Objekt 2 projiziert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Joseph W. Goodman: Speckle phenomena in optics, theory and applications, 2007, ISBN: 0-9747077-9-1 [0016]
- Duan Xiao-jie, Duan Fa-jie und Lv Chang-rong: Phase stabilizing method based on PTAC for fiber-optic interference fringe projection profilometry, Optics & Laser Technology, Volume 47, April 2013, Seiten 137 bis 143 [0017]
- Martin Schaffer, Marcus Große, Bastian Harendt und Richard Kowarschik: Outdoor three-dimensional shape measurements using laser-based structured illumination, Optical Engineering, Volume 51, Issue, OE Letters, September 2012 [0018]
- Duan Xiao-jie et al. (2013) [0018]
- Duan Xiao-jie et al. (2013) [0019]
- Schaffer et al. (2012) [0019]
- Christoph Ohrt, Wito Hartmann, Johannes Weickmann, Markus Kästner, Albert Weckenmann, Tino Hausotte und Eduard Reithmeier: Holistic measurement in the sheet-bulk metal forming process with fringe projection, Procceedings ESAFORM 15th ESAFORM conference, März 2012, Seiten 1005–1010 [0019]
- Duan Xiao-jie et al. (2013) [0019]
