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