DE102017121210A1

DE102017121210A1 - Vorrichtung für die flächenhafte optische 3D-Messtechnik

Info

Publication number: DE102017121210A1
Application number: DE102017121210.8A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Bothe; Eugen Harder; Mladen Gomercic
Original assignee: GOM Gesellschaft fuer Optische Messtechnik mbH
Current assignee: Carl Zeiss GOM Metrology GmbH
Priority date: 2017-09-13
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2019-03-14

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten (2) mit einem topometrischen Messverfahren wird beschrieben, bei dem Bilder eines Objektes (2) mitsamt eines von einer Musterprojektionseinheit (4) auf ein Objekt (2) projizierten Projektionsmusterns mit einer Bildaufnahmeeinheit (5) aufgenommen und mit einer Auswerteeinheit (10) ausgewertet werden. Die Vorrichtung (1) hat eine Musterprojektionseinheit (4), die eine Lichtquelle (6) und einen Lichttunnel (7) hat. Der Lichttunnel (7) weist an den Innenseiten (12a, 12b) der seinen durchstrahlten Hohlraum umgebenden Seitenelemente (11a, 11b) eine dielektrische Beschichtung auf. In einer alternativen oder ergänzten Ausführungsform hat der Lichttunnel (7) Seitenelemente (11a, 11b), die kraftschlüssig miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten mit einem topometrischen Messverfahren, bei dem Bilder eines Objektes mitsamt eines von einer Musterprojektionseinheit auf ein Objekt projizierten Projektionsmusters mit einer Bildaufnahmeeinheit aufgenommen und mit einer Auswerteeinheit ausgewertet werden.
Die optische Bestimmung von 3D-Koordinaten kommt in zahlreichen Industrien zum Einsatz. Verbreitet sind Triangulationssensoren nach dem Prinzip der Topometrie. Diese basieren auf der Projektion von Mustern auf ein zu vermessendes Objekt. Das projizierte Muster wird von einer oder mehreren Bildaufnahmeeinheiten aufgenommen und anschließend durch eine Bildauswerteeinheit ausgewertet. Die durch eine Musterprojektionseinheit projizierten Muster können vielfältig ausgestaltet sein, typisch sind stochastische oder auch deterministische Muster (z.B. Punkt- und Streifenmuster).
Die in topometrischen Sensoren verwendeten Musterprojektionseinheiten umfassen dabei mindestens die Kernbestandteile Lichtquelle, Mustergenerator und Projektionsoptik.
Die Lichtquelle stellt elektromagnetische Strahlung bereit. Je nach Ausführung der Lichtquelle wird elektromagnetische Strahlung mit charakterisierenden Eigenschaften bereitgestellt. Diese Eigenschaften sind insbesondere der Wellenlängenbereich in dem die Lichtquelle Strahlung emittiert sowie die Strahlungs- oder Lichtintensität und das Intensitätsprofil der Lichtstrahlung und die Winkelverteilung.
Die Mustergeneratoren dienen dazu das Licht der Lichtquelle mit einem Muster zu beaufschlagen. Die Projektionsoptik, beispielsweise ein Objektiv, dient zur optischen Abbildung des strukturierten Lichts auf die Oberfläche eines Messobjektes.
Topometrische Sensoren arbeiten größtenteils im Bereich des sichtbaren Lichtes. Dabei gibt es sowohl Systeme, die das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichtes nutzen (Weißlicht) oder aber nur einzelne schmalbandige Bereiche (z.B. Rot-, Grün- oder Blaulicht).
Die Verwendung eines breitbandigen Bereichs z.B. des gesamten sichtbaren Spektrums birgt einige Nachteile. So werden die Lichtanteile bei einem Übergang von einem Medium in ein anderes Medium in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge unterschiedlich gebrochen. Dies führt zu Projektions- beziehungsweise Abbildungsfehlern durch chromatische Aberration. Vorbekannt sind diverse, verschiedenartige Lichtquellen, die in Musterprojektionseinheiten für die 3D-Messtechnik eingesetzt werden, insbesondere ist der Einsatz von Lasern als strahlungsstarke, schmalbandige Lichtquelle bekannt. Allerdings weisen Laserlichtquellen bei einer Projektion oft starke Variationen in der räumlichen Intensitätsverteilung auf.
Das für die Musterprojektion verwendete Licht sollte aber eine möglichst homogene Intensitätsverteilung aufweisen um eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen. Wird eine Lichtquelle mit einer inhomogenen Intensitätsverteilung in einer Musterprojektionseinheit verwendet, so wird die Eigenstruktur des Projektionslichts (Basis-Lichtverteilung) mit der Helligkeitsverteilung des aufgeprägten Projektionsmusters überlagert. Ungleichmäßigkeiten in der Basis-Lichtverteilung können damit zur falsch interpretierten Messergebnissen führen.
Aus DD 117 281 A1 ist es bekannt einen Lichtleiter (Lichtleitkabel, Bildleitkabel, Lichtleitstäbe oder Lichttunnel) einzusetzen, um Ortsschwankungen der Leuchtdichte von Lichtquellen zu eliminieren.
DE 10 2010 026 252 B4 zeigt einen Lichtintegrator für rechteckige Strahlquerschnitte unterschiedlicher Abmessungen.
Lichttunnel (auch als Lichtmischtunnel oder Lichtintegrator bezeichnet) sind Hohlkörper, deren durchstrahlter Hohlraum mit reflektierenden Elementen (im Folgenden auch als Seitenelemente bezeichnet), wie Spiegel oder metallbeschichteten Oberflächen, umgeben ist. Lichttunnel homogenisieren bis zu einem gewissen Grad bei ihrem Durchlauf die räumliche Lichtintensitätsverteilung durch eine Vielfachreflexion des einfallenden Lichts an den Seitenelementen, so dass am Ende des Lichttunnels eine von der ursprünglichen Intensitätsverteilung des Lichtes unabhängige homogenisierte Intensitätsverteilung vorliegt.
Trifft ein Lichtstrahl auf die Seitenelemente oder Materialübergänge so kommt es zu Lichtverlusten beispielsweise durch Absorption oder verlustbehaftete Reflexion.
Je häufiger ein Strahl während des Durchlaufs durch den Lichtintegrator reflektiert wird, umso größer ist der resultierende Gesamtverlust.
Lichttunnel bestehen beispielsweise aus vier miteinander verklebten Glasplatten, die an der Innenseite des Lichttunnels mit einer Spiegelschicht versehen sind. Mit der Zeit kann es zu Alterungsprozessen der Spiegelschicht und damit verbundenen höheren Verlusten bis hin zur Unbrauchbarkeit des Lichttunnels kommen. Dringen Klebemittel in den Innenraum des Lichttunnels ein, so stören diese das Reflexionsverhalten, da das Klebematerial beispielsweise Licht absorbiert oder diffus reflektiert. Im Langzeitverhalten, kann es zu einem Nachlassen der Klebekraft und damit zu einer Zerstörung des Lichttunnels kommen.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Sensor zur Bestimmung von 3D-Koordinaten eines Objektes zu schaffen.
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 5 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Zur Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen in einem 3D- Sensor eine Musterprojektionseinheit einzusetzen, die als Lichtaufbereitungselement im Strahlengang des Lichts zwischen der Lichtquelle und dem Mustergenerator einen durch eine dielektrische Beschichtung und/oder eine kraftschlüssige Befestigung der Seitenwände anstelle einer herkömmlichen stoffschlüssigen Befestigung durch Verklebung verbesserten Lichttunnel hat. Damit wird eine langzeitstabile Vorrichtung geschaffen, bei der die Lichtverluste bei der Lichtaufbereitung reduziert sind.
Die dielektrische Beschichtung auf den Innenseiten des verbesserten Lichttunnels ermöglicht für einen spezifischen Wellenlängen- und Winkelbereich des einfallenden Lichts eine besonders verlustarme Reflexion. Der Wellenlängenbereich und der Einfallswinkelbereich in dem die dielektrische Beschichtung eine hohe mittlere Reflektivität (bevorzugt größer als 90%) aufweist, sind von der Ausführungsform der dielektrischen Schicht abhängig. Als mittlere Reflektivität ist dabei die über den betrachteten Bereich gemittelte Reflektivität zu verstehen.
Es ist vorteilhaft, wenn der Wellenlängenbereich der Lichtquelle in dem Wellenlängenbereich der dielektrischen Beschichtung liegt, in dem die dielektrische Beschichtung unter dem betrachteten Einfallswinkel eine hohe mittlere Reflektivität (größer als 90%) aufweist.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn das Licht der Lichtquelle bei der Reflexion unter Einfallswinkeln auf die dielektrische Beschichtung trifft, bei dem die dielektrische Beschichtung im verwendeten Wellenlängenbereich eine hohe mittlere Reflektivität (größer als 90%) aufweist.
Durch die Verwendung einer dielektrischen Beschichtung, die in einem eingeschränkten Wellenlängenbereich und in einem eingeschränkten Einfallswinkelbereich eine hohe mittlere Reflektivität (bevorzugt größer als 90%) aufweist und der eingeschränkte Wellenlängenbereich dem Wellenlängenbereich entspricht, in dem die Lichtquelle der Musterprojektionseinheit ihr Licht ausstrahlt, und wobei der eingeschränkte Einfallswinkelbereich, den Einfallswinkeln entspricht, unter denen das Licht der Lichtquelle auf die dielektrische Beschichtung trifft, kann der Verlustfaktor der Reflexion weiter optimal reduziert werden.
Ist die dielektrische Beschichtung vorgegeben, kann andererseits eine Lichtquelle mit einem entsprechenden Spektrum und/oder einer entsprechenden Winkelverteilung, oder einer entsprechend ihrer Winkelverteilung aufbereiteten, Lichtquelle gewählt werden.
Durch die Verwendung eines mit einer dielektrischen Beschichtung versehenen Lichttunnels können somit die Lichtverluste während der Homogenisierung der Intensitätsverteilung gegenüber der Verwendung eines herkömmlichen Lichttunnels reduziert werden.
Die Anwendung einer dielektrischen Beschichtung zur Reduzierung der Lichtverluste eignet sich sowohl für gerade, als auch für konische Lichttunnel. Konische Lichttunnel verjüngen sich in Richtung auf ihre Lichteintritts- oder Lichtaustrittsfläche, und wirken so vergrößernd oder verkleinernd auf den Strahlquerschnitt des den Lichttunnel durchlaufenden Lichts.
Lichtverluste treten in einem Lichttunnel aber nicht nur an den spiegelnden Seitenelementen auf, auch können durch das Verkleben der den durchstrahlten Hohlraum umgebenden Seitenelemente Klebstoffe in den Innenraum gelangen und das Reflexionsverhalten stören. Um das Eindringen von Klebstoffen in den Innenraum des Lichttunnels zu vermeiden wird vorgeschlagen, einen Lichttunnel zu verwenden, dessen Seitenelementen nicht miteinander verklebt, sondern kraftschlüssig miteinander verbunden werden. Dies kann beispielsweise durch Verklemmung erfolgen. Durch die Verklemmung und das damit Nichtvorhandensein von Klebstoffen können auch keine Klebstoffe in den Innenraum des Lichttunnels eindringen und die Reflexion stören. Auch kann die Langzeitstabilität des Lichttunnels erhöht werden, da Alterungsprozesse des Klebstoffs, die die Klebekraft herabsetzen, sich nicht mehr negativ auf die Stabilität des Lichttunnels auswirken können.
Die kraftschlüssige Verbindung kann mit Hilfe einer formschlüssigen Anbindung der Seitenelemente in Verbindung mit einem die Seitenelemente umgreifenden Halterahmen zur Bereitstellung eines Kraftschlusses realisiert werden. Denkbar ist auch ein Verschrauben oder ein Einspannen der miteinander zu verbindenden Seitenelemente durch ineinandergreifende federelastische Profilkonturen der Seitenelemente.
Des Weiteren wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen einen Lichttunnel zu verwenden, der sowohl über eine dielektrische Beschichtung, als auch über einen auf Klebungen verzichtenden Aufbau durch kraftschlüssige Verbindung verfügt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 - Skizze einer Vorrichtung zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten mit einem topometrischen Sensor
2 - Ausführungsbeispiel eines Lichttunnels dessen Seitenelemente verklemmt werden

1 skizziert eine Vorrichtung 1 zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten 2 mit einem topometrischen Sensor 3. Der topometrische Sensor 3 besteht im Wesentlichen aus einer Musterprojektionseinheit 4 sowie mindestens einer Bildaufnahmeeinheit 5. Die Musterprojektionseinheit 4 hat eine Lichtquelle 6, ein Lichtaufbereitungselement in Form eines Lichttunnels 7, einen Mustergenerator 8 sowie eine Projektionsoptik 9. Der topometrische Sensor 3 ist mit einer Auswerteeinheit 10 verbunden. Das Lichtaufbereitungselement, dient zur Homogenisierung der räumlichen Intensitätsverteilung des Lichts der Lichtquelle 6. Als Lichtaufbereitungselement wird ein Lichttunnel 7 eingesetzt. Der Lichttunnel 7 besitzt an der Innenseite eine dielektrische Beschichtung. Die verwendeten Materialien für dielektrische Beschichtungen, sind vielfältig, als nicht einschränkende Beispiele seien hier beispielsweise Magnesiumfluorid und Titanoxid genannt. In der Regel besteht eine dielektrische Beschichtung aus vielen dünnen Schichten, die auch aus verschiedenen Materialien bestehen können.
Die Lichtquelle 6 emittiert Licht in einem spezifischen Wellenlängenbereich. Zudem weist das Licht der Lichtquelle 6 beim Eintritt in den Lichttunnel 7 eine Winkelverteilung auf, die während der Reflexionen innerhalb des Lichttunnels 7 zu Einfallswinkeln führt, die dem Winkelbereich entsprechen, in dem die dielektrische Beschichtung der Innenseite des Lichttunnels 7 eine hohe mittlere Reflektivität, beispielsweise zwischen 95% und 99% für die von der Lichtquelle 6 ausgestrahlten Wellenlängen aufweist.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Lichttunnel 7 zur Verwendung als Lichtaufbereitungselement für einen Musterprojektor 4. Dargestellt ist eine Querschnittsansicht in einer Schnittrichtung senkrecht zur Durchstrahlrichtung des Lichttunnels 7.
Der Lichttunnel 7 hat zwei Seitenelemente 11a und zwei Seitenelemente 11b. Die Seitenelemente 11a, 11b bestehen beispielsweise aus Glas, das an den später nach innen zeigenden Seiten 12a, 12b mit einer dielektrischen Beschichtung versehen ist.
Die Seitenelemente 11a weisen eine quaderförmige Form einer Breite 13a und Höhe 14a auf. Die Seitenelemente 11b weisen eine von einer quaderförmigen Grundform (Breite 13b und Höhe 14b) ausgehende Form auf, bei der aus dem Quadervolumen quaderförmige Aussparungen der Breite 15 und Höhe 16 an der der späteren Lichttunnelinnenseite zugewandten Seite 12b vorhanden sind. Diese Aussparungen dienen bei einer kraftschlüssigen Verbindung durch Verklemmung der Seitenelemente 11a und 11b als Auflage und Anschlag. Die Aussparungen stellen somit eine zusätzliche formschlüssige Verbindung bereit. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Seitenelemente 11a, 11b ohne Stoffschluss und fügestellenfrei miteinander verbunden.
Die Breite 15 der als Anschlag dienenden Seite der Aussparung, ist dabei größer Null, aber kleiner als die Höhe 14a des Seitenelements 11a. Die Seitenelemente 11a und 11b werden senkrecht zueinander an einem Halteelement 17 ausgerichtet. Es werden Klemmkräfte K auf die Seitenelemente 11a, 11b ausgeübt, so dass diese gegeneinander und gegen das Halteelement 17 gedrückt werden. Das Halteelement 17 kann vielfältig ausgestaltet sein, es muss lediglich zwei Halteflächen 17a und 17b aufweisen. Die beiden Halteflächen müssen dabei nicht wie dargestellt miteinander verbunden sein, es ist auch denkbar zwei getrennte Halteelemente 17a und 17b zu verwenden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Lichttunnels 7, nimmt die Breite (13a, 13b) der Seitenelemente (11a, 11b) in Längsrichtung des Lichttunnels 7 ab. Die Seitenelemente werden analog gegen einander und gegen entsprechend angepasste Halteelemente 17a und 17b geklemmt. Dadurch entsteht ein konischer Lichttunnel 7.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DD 117281 A1 [0009]
DE 102010026252 B4 [0010]

Claims

Vorrichtung (1) zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten (2) mit einem topometrischen Messverfahren, bei dem Bilder eines Objektes (2) mitsamt eines von einer Musterprojektionseinheit (4) auf ein Objekt (2) projizierten Projektionsmusterns mit einer Bildaufnahmeeinheit (5) aufgenommen und mit einer Auswerteeinheit (10) ausgewertet werden, mit einer Musterprojektionseinheit (4), die eine Lichtquelle (6) und einen Lichttunnel (7) hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichttunnel (7) an den Innenseiten (12a, 12b) der seinen durchstrahlten Hohlraum umgebenden Seitenelemente (11a, 11b) eine dielektrische Beschichtung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenlängenbereich der Lichtquelle (6) indem Wellenlängenbereich der dielektrischen Beschichtung liegt, in dem die dielektrische Beschichtung eine mittlere Reflektivität größer als 90% aufweist
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht der Lichtquelle (6) in einem Winkelbereich in den Lichttunnel (7) eingestrahlt wird, der einem Einfalls-Winkelbereich der dielektrischen Beschichtung mit einer mittleren Reflektivität größer als 90% entspricht.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrischen Beschichtung, in einem eingeschränkten Wellenlängenbereich und in einem eingeschränkten Einfallswinkelbereich eine mittlere Reflektivität größer als 90% aufweist und der eingeschränkte Wellenlängenbereich dem Wellenlängenbereich entspricht, in dem die Lichtquelle (6) der Musterprojektionseinheit ihr Licht ausstrahlt, und wobei der eingeschränkte Einfallswinkelbereich, den Einfallswinkeln entspricht, unter denen das Licht der Lichtquelle (6) auf die dielektrische Beschichtung trifft.
Vorrichtung (1) zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten (2) mit einem topometrischen Messverfahren, bei dem Bilder eines Objektes (2) mitsamt eines von einer Musterprojektionseinheit (4) auf ein Objekt (2) projizierten Projektionsmusterns mit einer Bildaufnahmeeinheit (5) aufgenommen und mit einer Auswerteeinheit (10) ausgewertet werden, mit einer Musterprojektionseinheit (4), die einen Lichttunnel (7) hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichttunnel (7) Seitenelemente (11a, 11b) hat, und die Seitenelemente (11a, 11b) kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichttunnel (7) an den Innenseiten (12a, 12b) der Seitenelemente (11a, 11b) eine dielektrische Beschichtung aufweist und die Seitenelemente (11a, 11b) kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenelemente (11a, 11b) kraftschlüssig und formschlüssig miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichttunnel (7) ein gerader Lichttunnel (7) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichttunnel (7) ein konischer Lichttunnel (7) ist.