DE102017105399A1 - Component for a measuring device for the three-dimensional optical detection of measuring objects and pattern projector - Google Patents

Component for a measuring device for the three-dimensional optical detection of measuring objects and pattern projector Download PDF

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Carl Zeiss GOM Metrology GmbH
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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.The invention relates to a component (1) for a lighting unit for a measuring device for the three-dimensional optical measurement of objects, wherein the lighting unit has as a light source a plurality of laser diodes (2) which are arranged so that the emitted light from a plurality of separate individual beams consists, which together form a first overall cross section, and the component (1) is designed such that the light emitted by the individual laser diodes (2) light is deflected such that a smaller overall cross section than the first total cross section.

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.The invention relates to a component for a measuring device for three-dimensional optical detection of measurement objects with a topometric measurement method by projection of different light structures on the measurement object, observation of the projected light structures by means of optoelectronic image recording method and computer-aided evaluation.

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.The invention further relates to a pattern projector for projecting patterns onto an object to be measured by means of a topometric measuring method with a lighting unit having a multiplicity of laser diodes.

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.The optical determination of 3D coordinates is used in numerous industries, for example for components such as sheets, tools and molds, turbine blades, as well as injection and die cast parts. In the process, the entire component geometry is recorded areally in a high-resolution point cloud, which describes the surface. Corresponding sensors according to the principle of topometry are well known.

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.In this case, patterns, in particular stripe patterns, are projected onto the object to be measured. The projected pattern is recorded by one or more image acquisition units and then evaluated by an image evaluation unit.

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.A brighter projection makes the measurement more robust against the ambient light. In addition, it enables short image acquisition times, which is particularly advantageous in high-vibration environments. Therefore, light sources for the projection unit having a sufficiently high power are desired.

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.Previously known are diverse, diverse light sources that can be used in a projection unit for 3D measurement technology, such as halogen lamp, short arc lamp, metal halide lamps, light emitting diodes and 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. DE 10 2014 110 960 A1 shows the use of multiple laser diodes, which are combined to form a common laser light source. By a closely adjacent arrangement of the laser diodes, the beam guidance or bundling of the laser light in the further beam path within the projection unit is simplified. However, the problem of large heat generation arises as a by-product of laser light generation. The laser diodes involved heat up correspondingly denser at a correspondingly closer distance. A temperature increase results in a higher power loss and thus a lower light output per laser diode. In order to keep the operating temperature of the laser diode involved in the optimum range as possible, therefore, to ensure a sufficiently good cooling. The cooling must be higher the more laser diodes are used and the closer they are to each other.

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.Thus, the spatial arrangement of the individual laser diodes are limited by their heat development limits. Also, the individual laser diodes usually have a spatial extent that is greater than the extent of the emitted light. The entire laser diode group thus emits light over a correspondingly large cross-sectional area.

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.In addition, the emitted light is composed of a plurality (number of laser diodes) of individual beams, whereby the intensity of the radiation is distributed very unevenly in the overall beam.

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.The object of the invention is therefore to influence the emitted light of a laser diode group with the aid of a component in such a way that the most uniform possible beam with a smaller cross section for coupling into the illumination beam path of the projection unit of a 3D measuring device.

Die Aufgabe wird mit dem Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. The object is achieved with the device having the features of claim 1.

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.For this purpose, the individual beams emitted by the individual laser diodes are deflected when passing through the device so that they then form a compact and nearly uniform overall beam with the other, also deflected individual beams.

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 this respect, a measuring device for the three-dimensional optical detection of measurement objects with a topometric measurement method has a projector for projecting patterns, in particular stripe patterns, onto the object to be measured, the projector having the plurality of laser diodes as the laser light source. The component is then arranged in the beam path of this projector in order to bring the beams of the laser diodes closer to one another and to reduce the total cross section acted upon by the laser light radiation in comparison to the projector which is executed without the component.

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.In a first embodiment according to the invention, the deflection of the individual beams is effected by at least two mirror groups. Each mirror group has a plurality of mirror elements, each deflecting a plurality of individual beams onto a mirror element of the second mirror group. The elements of the second mirror group then redirect several incident individual beams. It is advantageous here if the laser diodes are arranged in a plurality of rows and columns, so that a mirror element of the first group in each case deflects all the individual beams of a column of laser diodes and the second mirror group then in each case all individual beams of a row. Thus, the mirror elements can be made as simple as possible.

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.It would also be conceivable, however, for each laser diode in each case a mirror element is present to move the beam path according to the task. Although this embodiment has the disadvantage that a larger number of mirror elements must be installed, but it allows any arrangement of the laser diodes, for example, distributed irregularly over a round or arbitrarily shaped cross-section, or even a single row of laser diodes. In an advantageous embodiment, the individual mirror elements are arranged such that only a single deflection is necessary in order to achieve the desired beam shape of the overall beam.

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.In a further embodiment, the light of the laser diodes is deflected not with mirrors, but with a light-transmissive body with totally reflecting inner surfaces. This body may be, for example, a faceted glass or plastic body. The angles of the reflective surfaces are designed such that the light of the individual beams has been deflected as desired after passing through the body. In this case, the body can be designed so that one or more reflections take place within the body.

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.
The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment with the accompanying drawings. Show it:
  • 1 - An oblique view of an exemplary laser diode assembly with an embodiment of a device;
  • 2a ) - emitted light pattern of an exemplary laser diode array prior to passing through the device;
  • 2 B ) - emitted light pattern of an exemplary laser diode array after passing through the device;
  • 3 - An oblique view of an embodiment of a component.

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. 1 shows an embodiment of a device according to the invention 1 that over an exemplary arrangement of a plurality of laser diodes 2 is arranged in a laser diode group 6. The component 1 has two groups of mirror elements 4 and 5. It can also be seen schematically from a laser diode 2 light emitted in a central point in the form of a light beam 3 , The laser diodes 2 This embodiment are arranged in rows and columns. For the first deflection of the emitted light beams 3 In the x-direction is a group of mirror elements 4 as a series in a row behind one another above the laser diodes 2 arranged. It captures a single mirror element 4 the first group each the light rays 3 a column of laser diodes 2 and directs them to the mirror elements 5 of the second group, which are used to deflect the light beams 3 are set up in the y direction. The mirror elements 4 The first group are arranged in such a way that they not only the individual light beams 3 a column on the mirror elements 5 divert the second group, but also cause the distance of the light rays 3 decreases each other. The following reflection on the mirror elements 5 The second group then again leads not only to a deflection, but also to a decrease in the distance between the rows of light beams 3 to each other.

Die 2a) und 2b) veranschaulichen die Lichtstrahlung jeweils in einem Querschnitt senkrecht zum Strahlengang.The 2a ) and 2b) illustrate the light radiation in each case in a cross section perpendicular to the beam path.

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. 2a schematically shows the emitted light radiation of an exemplary laser diode assembly before a device according to the invention 1 is going through. As in 1 it can be seen have the laser diodes 2 a certain spatial extent in the xy direction, moreover, the light is emitted only in a central point. Thus arise between the individual light beams 3 even with the most technically and thermally possible arrangement possible distances. The emitted light consists of a plurality of spatially separated individual beams without further processing. These are distributed in this example over a total cross-sectional area Q1.

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. 2 B ) schematically illustrates the emitted light radiation of an exemplary laser diode array 2a ), after the device according to the invention 1 was passed through. The reflection on the mirror elements 4 . 5 leads to an offset of the beam paths. It has formed a much more compact and uniform overall beam. The light is now distributed over a total cross-sectional area Q2. It becomes clear that this cross-section Q2, since the light rays 3 no longer with distances as large as before passing through the component 1 are arranged, has a much smaller area than Q1.

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. 3 shows an embodiment of a device according to the invention 1 , As an alternative to the mirror arrangement, the component 1 also be designed as a body with totally reflective inner surfaces. For example, the body can be a glass or plastic body, for example in the form of a suitably ground prism, around the glass Beam path of the individual light beams 3 closer to each other.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102014110960 A1 [0007]DE 102014110960 A1 [0007]

Claims (7)

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.Component (1) for a lighting unit for a measuring device for the three-dimensional optical measurement of objects, the lighting unit having as a light source a plurality of laser diodes (2) which are arranged so that the emitted light consists of a plurality of separate individual beams which together form a first overall cross-section, and the component (1) is designed such that the light emitted by the individual laser diodes (2) is deflected in such a way that a smaller total cross-section than the first overall cross-section is formed. 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.Component (1) according to Claim 1 , characterized in that the component (1) has a plurality of groups of mirror elements (4, 5) whose mirror elements (4, 5) each deflect a plurality of individual beams. Bauelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (1) eine Vielzahl von Spiegelelementen (4, 5) hat, die jeweils einen Einzelstrahl umlenken.Component (1) according to Claim 1 , characterized in that the component (1) has a plurality of mirror elements (4, 5), each deflecting a single beam. Bauelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement einen Körper mit totalreflektierenden Innenflächen hat.Component (1) according to Claim 1 , characterized in that the component has a body with totally reflecting inner surfaces. Bauelement (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper mit totalreflektierenden Innenflächen ein Glaskörper ist.Component (1) according to Claim 4 , characterized in that the body with totally reflecting inner surfaces is a glass body. Bauelement (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper mit totalreflektierenden Innenflächen ein Kunststoffkörper ist.Component (1) according to Claim 4 , characterized in that the body with totally reflecting inner surfaces is a plastic body. 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.A pattern projector for projecting patterns onto an object to be measured with the aid of a topometric measuring method with a lighting unit having a plurality of laser diodes (2), characterized in that the pattern projector has a component (1) according to one of the preceding claims in the beam path of the lighting unit ,
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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