DE102017105399A1

DE102017105399A1 - Bauelement für ein Messgerät zur dreidimensionalen optischen Erfassung von Messobjekten und Musterprojektor

Info

Publication number: DE102017105399A1
Application number: DE102017105399.9A
Authority: DE
Inventors: Mladen Gomercic; Thorsten Bothe; Patrick Heine; Eugen Harder
Original assignee: GOM Gesellschaft fuer Optische Messtechnik mbH
Current assignee: Carl Zeiss GOM Metrology GmbH
Priority date: 2017-03-14
Filing date: 2017-03-14
Publication date: 2018-09-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement (1) für eine Beleuchtungseinheit für ein Messgerät zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten, wobei die Beleuchtungseinheit als Lichtquelle eine Mehrzahl von Laserdioden (2) aufweist, die so angeordnet sind, dass das abgestrahlte Licht aus einer Mehrzahl von separaten Einzelstrahlen besteht, die zusammen einen ersten Gesamtquerschnitt bilden, und das Bauelement (1) derart gestaltet ist, dass das von den einzelnen Laserdioden (2) abgestrahlte Licht derart umlenkt wird, dass ein geringerer Gesamtquerschnitt als der erste Gesamtquerschnitt entsteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement für ein Messgerät zur dreidimensionalen optischen Erfassung von Messobjekten mit einem topometrischen Messverfahren durch Projektion unterschiedlicher Lichtstrukturen auf das Messobjekt, Beobachtung der aufprojizierten Lichtstrukturen mittels optoelektronischer Bildaufnahmeverfahren und rechnergestützter Auswertung.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Musterprojektor zur Projektion von Mustern auf ein mit Hilfe eines topometrischen Messverfahren zu vermessenden Objektes mit einer Beleuchtungseinheit, die eine Vielzahl von Laserdioden hat.
Die optische Bestimmung von 3D-Koordinaten kommt in zahlreichen Industrien zum Beispiel für Bauteile wie Bleche, Werkzeuge und Formen, Turbinenschaufeln sowie Spritz- und Druckgussteile zum Einsatz. Dabei wird die gesamte Bauteilgeometrie in einer hochauflösenden Punktewolke flächenhaft erfasst, welche die Oberfläche beschreibt. Entsprechende Sensoren nach dem Prinzip der Topometrie sind hinreichend bekannt.
Hierbei werden Muster, insbesondere Streifenmuster, auf das zu vermessende Objekt projiziert. Das projizierte Muster wird von einer oder mehreren Bildaufnahmeeinheiten aufgenommen und anschließend durch eine Bildauswerteeinheit ausgewertet.
Eine hellere Projektion macht dabei die Messung robuster gegen das Umgebungslicht. Zudem ermöglicht sie kurze Bildaufnahmezeiten, was gerade auch in vibrationsstarken Umgebungen von Vorteil ist. Daher sind Lichtquellen für die Projektionseinheit mit einer hinreichend hohen Leistung erwünscht.
Vorbekannt sind diverse, verschiedenartige Lichtquellen, die in einer Projektionseinheit für die 3D-Messtechnik eingesetzt werden können, wie zum Beispiel Halogenlampe, Kurzbogenlampe, Metalldampflampen, Leuchtdioden und Laser.
DE 10 2014 110 960 A1 zeigt den Einsatz von mehreren Laserdioden, die zu einer gemeinsamen Laserlichtquelle kombiniert werden. Durch eine eng benachbarte Anordnung der Laserdioden wird die Strahlführung beziehungsweise Bündelung des Laserlichtes im weiteren Strahlengang innerhalb der Projektionseinheit vereinfacht. Allerdings ergibt sich das Problem der großen Wärmeentwicklung als Nebenprodukt der Laserlichterzeugung. Die beteiligten Laserdioden erwärmen sich bei entsprechend dichterem Abstand zueinander entsprechend stärker. Ein Temperaturanstieg hat eine höhere Verlustleistung und somit eine geringere Lichtleistung je Laserdiode zur Folge. Um die Betriebstemperatur der beteiligten Laserdioden möglichst im optimalen Bereich zu halten, ist deswegen eine hinreichend gute Kühlung zu gewährleisten. Die Kühlung muss umso höher sein, je mehr Laserdioden verwendet werden und je dichter sie zueinander angeordnet sind.
Damit sind der räumlichen Anordnung der einzelnen Laserdioden bedingt durch ihre Wärmeentwicklung Grenzen gesetzt. Auch besitzen die einzelnen Laserdioden in der Regel eine räumliche Ausdehnung, die größer als die Ausdehnung des emittierten Lichtes ist. Die gesamte Laserdiodengruppe emittiert somit Licht über eine entsprechend große Querschnittsfläche.
Zusätzlich setzt sich das emittierte Licht aus einer Vielzahl (Anzahl der Laserdioden) von Einzelstrahlen zusammen, wodurch die Intensität der Strahlung im Gesamtstrahl sehr ungleichmäßig verteilt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher das emittierte Licht einer Laserdiodengruppe mit Hilfe eines Bauelementes so zu beeinflussen, dass ein möglichst gleichförmiger einheitlicher Strahl mit einem geringeren Querschnitt zur Einkopplung in den Beleuchtungsstrahlengang der Projektionseinheit eines 3D-Messgeräts entsteht.
Die Aufgabe wird mit dem Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Hierzu werden die von den einzelnen Laserdioden abgestrahlten Einzelstrahlen beim Durchlaufen des Bauelements so umgelenkt, dass sie anschließend mit den anderen, ebenfalls umgelenkten Einzelstrahlen einen kompakten und nahezu gleichförmigen Gesamtstrahl bilden.
Insofern hat ein Messgerät zur dreidimensionalen optischen Erfassung von Messobjekten mit einem topometrischen Messverfahren einen Projektor zur Projektion von Mustern, insbesondere von Streifenmustern, auf das zu vermessende Objekt, wobei der Projektor die Vielzahl von Laserdioden als Laserlichtquelle aufweist. Das Bauelement ist dann in dem Strahlengang dieses Projektors angeordnet, um die Strahlen der Laserdioden näher zueinander zu führen und den von der Laserlichtstrahlung beaufschlagten Gesamtquerschnitt im Vergleich zu dem ohne das Bauelement ausgeführten Projektor zu verringern.
In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt die Umlenkung der Einzelstrahlen durch mindestens zwei Spiegelgruppen. Jede Spiegelgruppe weist mehrere Spiegelelemente auf, die jeweils eine Mehrzahl von Einzelstrahlen auf ein Spiegelelement der zweiten Spiegelgruppe umlenken. Die Elemente der zweiten Spiegelgruppe lenken dann wiederum mehrere auftreffende Einzelstrahlen um. Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Laserdioden in mehreren Reihen und Spalten angeordnet sind, so dass ein Spiegelelement der ersten Gruppe jeweils alle Einzelstrahlen einer Spalte von Laserdioden umlenkt und die zweite Spiegelgruppe dann jeweils alle Einzelstrahlen einer Reihe. Damit können die Spiegelelemente möglichst einfach gefertigt werden.
Denkbar wäre es aber auch, dass für jede Laserdiode jeweils ein Spiegelelement vorhanden ist, um den Strahlengang entsprechend der Aufgabe zu versetzen. Diese Ausführungsform hat zwar den Nachteil, dass eine größere Anzahl von Spiegelelementen verbaut werden muss, allerdings ermöglicht sie eine beliebige Anordnung der Laserdioden, beispielsweise unregelmäßig über einen runden oder beliebig geformten Querschnitt verteilt, oder auch eine einzelne Reihe von Laserdioden. In einer vorteilhaften Ausführung sind die einzelnen Spiegelelemente derart angeordnet, dass nur eine einzige Umlenkung notwendig ist, um die gewünschte Strahlform des Gesamtstrahls zu erreichen.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Licht der Laserdioden nicht mit Spiegeln, sondern mit einem lichtdurchlässigen Körper mit totalreflektierenden Innenflächen umgelenkt. Dieser Körper kann beispielsweise ein mit Facetten versehener Glas- oder Kunststoffkörper sein. Die Winkel der reflektierenden Flächen sind derart ausgestaltet, dass das Licht der Einzelstrahlen nach Durchlaufen des Körpers wunschgemäß umgelenkt wurde. Dabei kann der Körper so ausgestaltet sein, das eine oder mehrere Reflexionen innerhalb des Körpers stattfinden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 - Schrägansicht einer beispielhaften Laserdiodenanordnung mit einer Ausführungsform eines Bauelementes;
2a) - emittiertes Lichtmuster einer beispielhaften Laserdiodenanordnung vor dem Durchlaufen des Bauelementes;
2b) - emittiertes Lichtmuster einer beispielhaften Laserdiodenanordnung nach dem Durchlaufen des Bauelementes;
3 - Schrägansicht einer Ausführungsform eines Bauelementes.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Bauelement 1, das über einer beispielhaften Anordnung einer Vielzahl von Laserdioden 2 in einer Laserdiodengruppe 6 angeordnet ist. Das Bauelement 1 hat zwei Gruppen von Spiegelelementen 4 und 5. Erkennbar ist hier auch schematisch das von einer Laserdiode 2 in einem zentralen Punkt emittierte Licht in Form eines Lichtstrahles 3. Die Laserdioden 2 dieses Ausführungsbeispiels sind in Reihen und Spalten angeordnet. Zur ersten Umlenkung der emittierten Lichtstrahlen 3 in x-Richtung ist eine Gruppe von Spiegelelementen 4 als Serie in einer Reihe hintereinander oberhalb der Laserdioden 2 angeordnet. Dabei erfasst ein einzelnes Spiegelelement 4 der ersten Gruppe jeweils die Lichtstrahlen 3 einer Spalte von Laserdioden 2 und lenkt diese auf die Spiegelelemente 5 der zweiten Gruppe, die zur Umlenkung der Lichtstrahlen 3 in y-Richtung eingerichtet sind. Die Spiegelelemente 4 der ersten Gruppe sind dabei in der Weise angeordnet, dass sie nicht nur die einzelnen Lichtstrahlen 3 einer Spalte auf die Spiegelelemente 5 der zweiten Gruppe umlenken, sondern auch dazu führen, dass der Abstand der Lichtstrahlen 3 zueinander abnimmt. Die nachfolgende Spiegelung an den Spiegelelementen 5 der zweiten Gruppe führt dann erneut nicht nur zu einer Umlenkung, sondern auch zu einer Abnahme des Abstandes der Reihen der Lichtstrahlen 3 zueinander.
Die 2a) und 2b) veranschaulichen die Lichtstrahlung jeweils in einem Querschnitt senkrecht zum Strahlengang.
2a zeigt schematisch die emittierte Lichtstrahlung einer beispielhaften Laserdiodenanordnung bevor ein erfindungsgemäßes Bauelement 1 durchlaufen wird. Wie in 1 ersichtlich ist, besitzen die Laserdioden 2 eine gewisse räumliche Ausdehnung in x-y-Richtung, zudem wird das Licht nur in einem zentralen Punkt abgestrahlt. Somit entstehen zwischen den einzelnen Lichtstrahlen 3 selbst bei der bautechnisch und wärmetechnisch engst möglichen Anordnung Abstände. Das emittierte Licht besteht ohne weitere Bearbeitung aus einer Vielzahl von räumlich getrennten Einzelstrahlen. Diese sind in diesem Beispiel über eine Gesamtquerschnittsfläche Q1 verteilt.
2b) zeigt schematisch die emittierte Lichtstrahlung einer beispielhaften Laserdiodenanordnung aus 2a), nachdem das erfindungsgemäße Bauelement 1 durchlaufen wurde. Die Reflexion an den Spiegelelementen 4, 5 führt zu einem Versatz der Strahlengänge. Es hat sich ein wesentlich kompakterer und gleichförmigerer Gesamtstrahl gebildet. Das Licht ist nunmehr über eine Gesamtquerschnittsfläche Q2 verteilt. Es wird deutlich, dass dieser Querschnitt Q2, da die Lichtstrahlen 3 nicht mehr mit so großen Abständen wie vor dem Durchlaufen des Bauelementes 1 angeordnet sind, eine wesentlich kleinere Fläche als Q1 hat.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Bauelement 1. Alternativ zu der Spiegelanordnung kann das Bauelement 1 auch als Körper mit totalreflektierenden Innenflächen ausgeführt sein. So kann der Körper beispielsweise ein Glas- oder Kunststoffkörper z.B. in Form eines geeignet geschliffenen Prismas sein, um den Strahlengang der einzelnen Lichtstrahlen 3 näher aneinander zu führen.
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 102014110960 A1 [0007]

Claims

Bauelement (1) für eine Beleuchtungseinheit für ein Messgerät zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten, wobei die Beleuchtungseinheit als Lichtquelle eine Mehrzahl von Laserdioden (2) aufweist, die so angeordnet sind, dass das abgestrahlte Licht aus einer Mehrzahl von separaten Einzelstrahlen besteht, die zusammen einen ersten Gesamtquerschnitt bilden, und das Bauelement (1) derart gestaltet ist, dass das von den einzelnen Laserdioden (2) abgestrahlte Licht derart umlenkt wird, dass ein geringerer Gesamtquerschnitt als der erste Gesamtquerschnitt entsteht.
Bauelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (1) mehrere Gruppen von Spiegelelementen (4, 5) hat, deren Spiegelelemente (4, 5) jeweils mehrere Einzelstrahlen umlenken.
Bauelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (1) eine Vielzahl von Spiegelelementen (4, 5) hat, die jeweils einen Einzelstrahl umlenken.
Bauelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement einen Körper mit totalreflektierenden Innenflächen hat.
Bauelement (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper mit totalreflektierenden Innenflächen ein Glaskörper ist.
Bauelement (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper mit totalreflektierenden Innenflächen ein Kunststoffkörper ist.
Musterprojektor zur Projektion von Mustern auf ein mit Hilfe eines topometrischen Messverfahren zu vermessenden Objektes mit einer Beleuchtungseinheit, die eine Vielzahl von Laserdioden (2) hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Musterprojektor ein Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche im Strahlengang der Beleuchtungseinheit hat.