DE19721688A1 - Oberflächenerfassungseinrichtung und Verfahren zur Oberflächenerfassung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Oberflächenerfassung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 26. Bei einer solchen Oberflächenerfassungseinrichtung bzw. einem solchen Verfahren zur Oberflächenerfassung wird zur Gewinnung dreidimensionaler Daten einer Objektoberfläche das Triangula­ tionsprinzip angewandt.

In einer Zeit zunehmender Genauigkeitsanforderungen und wach­ sender Automatisierung von industriellen Fertigungsvorgängen ist es von großem Interesse, Meßverfahren zu entwickeln, die eine exakte Erfassung von Gegenständen sowie eine bevorzugt automatische Kontrolle dieser Gegenstände und von Produktions­ abläufen ermöglichen. Im Mittelpunkt steht dabei vor allem die Forderung, Produkte genauestens erfassen zu können, aber auch u. a. unterschiedliche Produkte erkennen und sortieren zu kön­ nen, was z. B. insbesondere am Fließband wünschenswert sein kann. Diese Aufgabe fällt in den Bereich der Objekterkennung. Hierfür ist es entscheidend, daß eine schnelle und genaue Da­ tenaufnahme und -verarbeitung erfolgt, um z. B. aussagekräftige Informationen über eine Objektoberfläche zu erhalten und bei­ spielsweise auch den Produktionsprozeß nicht zu behindern.

In jüngster Zeit wurden sowohl für die Objektvermessung und -erkennung als auch für die Qualitätssicherung verstärkt opti­ sche 3D-Sensoren eingesetzt. Die bisher größtenteils verwende­ ten taktilen Meßverfahren haben gegenüber optischen Lösungen neben einer beschränkten Genauigkeit die Nachteile einer zu geringen Anpassungsfähigkeit, einer schwerfälligen Handhabung und einer langwierigen Messung. Bei optischen 3D-Sensoren er­ folgt der Meßvorgang im Vergleich zu taktilen Meßapparaturen trotz höherer Genauigkeit wesentlich schneller und vor allem berührungslos. Zudem erlaubt die Optik eine parallele Verar­ beitung gewonnener Informationen, so daß durch geeignete Kon­ struktion des abbildenden Systems eine Vorverarbeitung der Bilddaten möglich wird. Die Geschwindigkeit für die optische Objekterkennung läßt sich gegenüber taktilen Meßverfahren um ein Vielfaches steigern.

Optische 3D-Sensoren werden, wie bereits eingangs dargelegt wurde, beispielsweise in der Industrie, aber auch z. B. in der Medizin mit Erfolg verwendet, wo die Einsatzgebiete von der Höhenvermessung chirurgisch abgetragenen Gewebes bis hin zur Erstellung von Keramik-Inlays aus den Daten der 3D-Aufnahme eines präparierten Zahns reichen. Allgemein werden optische Meßverfahren zur dreidimensionalen Oberflächenvermessung in der Qualitätskontrolle, bei der CAD/CAM-Herstellung von Werk­ stücken, in der Meßtechnik usw. eingesetzt.

Berücksichtigt man die Vorteile und Anwendungsgebiete opti­ scher Meßapparaturen zur Oberflächenerfassung, so ist es kein Wunder, daß die Verbesserung von 3D-Sensoren und ihre Optimie­ rung für spezielle Einsatzgebiete ein hochaktuelles Thema ist. Dabei ist es wichtig, dreidimensionale Objektdaten mit mög­ lichst großem Informationsgehalt zu gewinnen.

Die DE 44 39 307 A1 betrifft ein optisches 3D-Oberflächenmeß­ gerät mit hoher Genauigkeit, das nach dem Prinzip der Triangu­ lation arbeitet und aus einer Beleuchtungsoptik, oder allge­ mein Bestrahlungseinrichtungen, zum Bestrahlen zumindest eines Teils der zu erfassenden Objektoberfläche, und einer unter dem Beobachtungs- oder Triangulationswinkel Θ ungleich Null ange­ ordneten Beobachtungsoptik, die als Beobachtungseinrichtungen verallgemeinert werden kann, zum Abbilden wenigstens eines Ausschnittes des bestrahlten Teils der zu erfassenden Objekt­ oberfläche auf Sensoreinrichtungen zum Detektieren besteht.

Aus diesem Stand der Technik ist weiter bekannt, daß die Be­ leuchtungsoptik eine Lichtlinie von mindestens 2 mm auf eine zu vermessenden Objektoberfläche projiziert, daß die Beobach­ tungsoptik aus einer optischen Anordnung besteht, bei der zwei Linsen oder Linsensysteme mit den Brennweiten f₁ und f₂ im Ab­ stand f₁+f₂ (±10%) angebracht sind und sich im Abstand f₁ (±10%) von der ersten Linse bzw. dem ersten Linsensystem und im Ab­ stand f₂ (±10%) von der zweiten Linse bzw. dem zweiten Linsen­ system eine Blende befindet, die den Strahlengang begrenzt, und daß die Hauptachse dieser Beobachtungsoptik, die mit der Objektebene den Winkel Θ einschließt, mit der Bildebene den Betrag des Winkels Θ' (±10%) entsprechend der Beziehung

tan Θ' = f₁/f₂.tan Θ;

einschließt.

Bei diesem vorbeschriebenen Aufbau wird die Beleuchtungsoptik, die Lichtquellen, Linsen etc. enthält, zum Erzeugen und Proji­ zieren eines Lichtpunktes aus einer bestimmten Richtung auf eine zu erfassende Objektoberfläche verwendet. Dieser Licht­ punkt wird aus einer anderen Richtung, die mit dem Beleuch­ tungsstrahl den sog. Beobachtungs- oder Triangulationswinkel einschließt, mittels der Beobachtungsoptik betrachtet. Durch den Unterschied zwischen der Beleuchtungsrichtung und der Be­ obachtungsrichtung werden Höhenunterschiede auf der Objekt­ oberfläche in der Beobachtungsebene in lateral versetzte Posi­ tionen umgesetzt. Zur Beobachtung werden neben Punktsensoren, bei denen nur ein Punkt auf die Objektoberfläche projiziert wird, auch Liniensensoren eingesetzt, bei denen eine oder gleich mehrere Linien auf die Objektoberfläche projiziert wer­ den. Letzteres hat den Vorteil, daß mehrere Oberflächenpunkte auf einmal vermessen werden können (Zeitschrift "Applied Op­ tics", Jahrgang 1988, Heft 27, Seiten 5165 bis 5169). Allge­ mein liefert die Verwendung des Triangulationsprinzips im Ver­ gleich zu anderen Meßtechniken sehr hohe Meßgenauigkeiten bei vergleichsweise kurzen Meßzeiten.

Zur Erzielung eines großen Höhenmeßbereiches wird beim hier behandelten Stand der Technik auch unter Hinweis auf die DE 33 37 251 A3 die Scheimpflugbedingung realisiert, d. h., daß gilt

tan Θ' = 1/β tan Θ;

wobei, wie weiter oben bereits angegeben wurde, Θ' der Detek­ tionswinkel zwischen der Hauptachse der Beobachtungseinrich­ tungen und einer Bildebene auf den Sensoreinrichtungen sowie Θ der Beobachtungs- oder Triangulationswinkel zwischen den Hauptachsen der Bestrahlungseinrichtungen und der Beobach­ tungseinrichtungen und β der für jeden Punkt der Objektoberflä­ che konstante Abbildungsmaßstab der Beobachtungseinrichtungen sind.

Wird die Bildebene entsprechend dieser Bedingung eingestellt, so wird jeder Punkt auf der Objektoberfläche scharf abgebil­ det. Die Punkte auf der Objektoberfläche können unterschiedli­ che Abstände von den Beobachtungseinrichtungen, wie z. B. den Linsen haben, was zu unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben und damit die Meßgenauigkeit ungünstig beeinflussenden Verzerrun­ gen führt. Um dies zu vermeiden, wird bei dem Meßgerät, das in der DE 44 39 307 A1 beschrieben ist, eine sog. doppelt tele­ zentrische Beobachtungsoptik eingesetzt, bei der, wie weiter oben schon angegeben wurde, der Abbildungsmaßstab β für jeden Punkt der Objektoberfläche konstant ist, wobei β gemäß der dop­ pelten Telezentrie durch f₂/f₁ bestimmt ist. Auf Grund des ge­ genüber der Scheimpflugbedingung für jeden Punkt der Objekto­ berfläche konstanten Abbildungsmaßstabes wird die Schärfefor­ derung erfüllt, die den gewünschten Höhenmeßbereich sicher­ stellt.

Die in der DE 44 39 307 A1 beschriebene Triangulationsanord­ nung erlaubt es wegen der doppelt telezentrischen Beobach­ tungsoptik in Kombination mit der Lichtlinienprojektion, bei im Vergleich zur reinen Scheimpflugbedingung vergrößertem Hö­ henmeßbereich auf der Objektoberfläche eine lineare, d. h. ver­ zerrungsfreie Eichung vorzunehmen. Gleichzeitig ist der opti­ sche Aufbau so konstruiert, daß sich die Seidelschen Bildfeh­ ler im Vergleich zur reinen Scheimpflugbedingung weniger stark auswirken. Daher wird eine im Ergebnis hohe Meßgenauigkeit er­ reicht.

Mit dem aus der DE 44 39 307 A1 bekannten 3D-Oberflächenmeß­ gerät können somit Oberflächendaten eines gegebenen Körpers schnell und genau gewonnen werden.

Dazu ist es jedoch notwendig, daß die Bedingung

tan Θ' = f₁/f₂.tan Θ;

gemäß dem Stand der Technik, oder allgemeiner bei für jeden Punkt der Objektoberfläche konstantem Abbildungsmaßstab β der Beobachtungseinrichtungen

tan Θ' = 1/β tan Θ;

möglichst genau erfüllt ist.

Wenn ferner z. B. Hinterschneidungen erfaßt werden sollen oder Abschattungen auftreten, die bei gegebenen Körpern vorkommen können, und der Körper nicht selbst in anderen Lagen justiert werden kann, in denen die Hinterschneidungen ausreichend von den Bestrahlungseinrichtungen bestrahlt werden können, ist ei­ ne Anpassung des Winkels Θ erforderlich, was die oben genannte Bedingung beeinflußt. Auch kann es sein, daß Veränderungen an den Beobachtungseinrichtungen vorgenommen werden müssen, wie beispielsweise zur Anpassung an geometrische Charakteristika der zu erfassenden Objektoberfläche oder deren Reflexionsver­ mögen, was zu Änderungen des Abbildungsmaßstabes β führt, wo­ durch die oben genannte Bedingung beeinflußt wird.

Der DE 44 39 307 A1 ist jedoch nicht zu entnehmen, wie die Be­ dingung tan Θ' = 1/β tan Θ apparativ insbesondere bei wech­ selnden Meßbedingungen auf einfache und exakte Weise zu reali­ sieren ist.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine nach dem Tri­ angulationsprinzip aufgebaute Oberflächenerfassungseinrichtung anzugeben, die einfach und exakt einzujustieren und einzuset­ zen ist.

Dieses Ziel wird mit einer Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Anspruch 1 erreicht.

Erfindungsgemäß enthält eine Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Triangulationsprinzip zur 3D-Datengewinnung Bestrah­ lungseinrichtungen zum Bestrahlen zumindest eines Teils der zu erfassenden Objektoberfläche und Beobachtungseinrichtungen zum Abbilden wenigstens eines Ausschnittes des bestrahlten Teils der zu erfassenden Objektoberfläche auf Sensoreinrichtungen zum Detektieren, wobei für den Detektionswinkel Θ' zwischen der Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen und einer Bilde­ bene auf den Sensoreinrichtungen gilt

tan Θ' = 1/β tan Θ;

worin β der für jeden Punkt der Objektoberfläche konstante Ab­ bildungsmaßstab der Beobachtungseinrichtungen und Θ der Beob­ achtungswinkel zwischen den Hauptachsen der Bestrahlungsein­ richtungen und der Beobachtungseinrichtungen sind. Zur Erfül­ lung der vorstehenden Bedingung ist gemäß der Erfindung vorge­ sehen, daß zumindest eine die Bildebene bestimmende strah­ lungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen zur Einstel­ lung des Detektionswinkels Θ' um eine wenigstens annähernd in der Bildebene liegende Achse verstellbar ist.

Durch diese technische Lehre wird die Voraussetzung geschaf­ fen, die aus der DE 44 39 307 A1 bekannte optische 3D-Oberflä­ chenmeßeinrichtung in der Praxis schnell und zuverlässig mes­ send einsetzen zu können. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau ist es möglich, genaue Eichungen der Oberflächenerfassungsein­ richtung durchzuführen und eventuell vorgegebene rechnerische Werte für den Detektionswinkel Θ' an die tatsächlichen appara­ tiven Gegebenheiten anzupassen.

Z.B. mittels eines Eichmaßes kann direkt anhand der Ausgabe der Sensoreinrichtungen festgestellt werden, ob die durch die Scheimpflugbedingung und die doppelte Telezentrie vorgegebene Bedingung tan Θ' = 1/β tan Θ erfüllt ist. Dadurch, daß zumin­ dest eine die Bildebene bestimmende strahlungssensitive Ober­ fläche der Sensoreinrichtungen zur Einstellung des Detektions­ winkels Θ' um eine wenigstens annähernd in der Bildebene lie­ gende Achse verstellbar ist, kann, wenn die Bedingung nicht in ausreichender Weise erfüllt ist, während des Verstellens der strahlungssensitiven Oberfläche der Sensoreinrichtungen um die wenigstens annähernd in der durch die strahlungssensitive Oberfläche bestimmten Bildebene liegende Achse in vorteilhaf­ ter Weise beobachtet werden, wie sich die genannte Bedingung einstellt.

Durch die Erfindung wird somit der Vorteil geschaffen, daß die Sensoreinrichtungen selbst zu ihrer Justierung herangezogen werden und die Genauigkeit einer Eichung, von der die spätere Meßgenauigkeit der Oberflächenerfassungseinrichtung im prakti­ schen Einsatz abhängt, direkt durch den Meßaufbau selbst opti­ miert und überprüft werden kann. Dabei kann weiterhin vorteil­ haft die Ausgabe der Sensoreinrichtungen als Regelsignal für eine halb- oder vollautomatische Justierung verwendet werden.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Einstellmöglichkeit hat gegen­ über anderen Justagemöglichkeiten weitere Vorteile. Es ist bei allen Überlegungen hinsichtlich Einstellungen zur Erfüllung der Bedingung tan Θ' = 1/β tan Θ zu beachten, daß hier in der Praxis sehr kleine Veränderungen der Parameter erforderlich sind und große Auswirkungen zeigen.

Wird beispielsweise statt der Drehung der strahlungssensitiven Oberfläche der Sensoreinrichtungen um eine zumindest annähernd darin liegende Achse in konstruktiv und apparativ einfacherer Weise um eine außerhalb der strahlungssensitiven Oberfläche der Sensoreinrichtungen liegende Achse gedreht, so können die Auswirkungen der Drehung beim Eichen nicht direkt mittels der Sensoreinrichtungen festgestellt werden. Im letzteren Fall sind dann zudem Linearverstellmöglichkeiten erforderlich, um die strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen wieder richtig im Strahlengang der Beobachtungseinrichtungen zu positionieren. Neben den Unzulänglichkeiten beim Einjustie­ ren der strahlungssensitiven Oberfläche der Sensoreinrichtun­ gen und dem zusätzlichen apparativen Aufwand durch die Linear­ verstellmöglichkeiten ist bei dieser Methode der Eichung aber außerdem nachteilig, daß Einstellungen der strahlungssensiti­ ven Oberfläche der Sensoreinrichtungen nur schwer reproduzier­ bar und gezielt zur Anpassung an andere Bedingungen von Be­ strahlungseinrichtungen, Objektoberfläche und Beobachtungsein­ richtungen anpaßbar sind.

Um die Bedingung tan Θ' = 1/β tan Θ zu erfüllen, könnte auch der Beobachtungs- oder Triangulationswinkel Θ verändert wer­ den. Diese Anpassungs- oder Einstellmöglichkeit erscheint ei­ nerseits schon deshalb naheliegend, da wegen der größeren Weglängen im Bestrahlungs- und Beobachtungsstrahlengang feine­ re Winkeleinstellungen möglich erscheinen. Dadurch würden aber andererseits gleichzeitig die Bestrahlungsbedingungen auf der zu erfassenden Objektoberfläche verändert und eine Optimierung des Bestrahlungswinkels in Abhängigkeit von der zu erfassenden Objektoberfläche und deren Reflexionsvermögen im Hinblick auf die Informationsgewinnung durch die Sensoreinrichtungen zumin­ dest erschwert, wenn nicht sogar ausgeschlossen. Außerdem wäre es in apparativ äußerst aufwendiger Weise erforderlich, die Bestrahlungseinrichtungen und die Beobachtungseinrichtungen synchron zu verstellen, damit den Sensoreinrichtungen bzw. de­ ren strahlungssensitiver Oberfläche zuverlässig verwertbare optische Signale zugeführt werden.

Als weitere Alternative bliebe eine Veränderung des Abbil­ dungsmaßstabes β der Beobachtungseinrichtungen, wie etwa durch Zoomverstellungen enthaltener optischer Einrichtungen. Da aber dieser Abbildungsmaßstab β gerade den Bedingungen der zu erfas­ senden Objektoberfläche angepaßt sein soll, würde seine Ände­ rung zur Erfüllung der Bedingung tan Θ' = 1/β tan Θ die opti­ sche Abbildung der gewünschten Oberflächeninformationen nach­ teilig beeinflussen und daher zu einer Verschlechterung der erzielbaren Meßergebnisse führen.

Die Erfindung ermöglicht somit gegenüber allen alternativen Bauarten eine schnellere und exaktere Einstellung der oder An­ passung an die Bedingung tan Θ' = 1/β tan Θ und damit eine schnelle und exakte Eichung sowie eine zuverlässige und genaue Messung.

Im Rahmen der Erfindung wurde ferner in vorteilhafter Weise erkannt, daß es ausreichend ist, wenn die die Bildebene be­ stimmende strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtun­ gen zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' um eine wenig­ stens annähernd in der Bildebene liegende Achse verstellbar ist. Es ist also nicht erforderlich, die gesamten Sensorein­ richtungen oder mehrere i.d.R. größere Teile davon zu verstel­ len, was sich günstig auf die möglichst geringe Baugröße der gesamten Oberflächenerfassungseinrichtung sowie die erforder­ lichen Einstellkräfte und Stabilität eingestellter Positionen der Sensoreinrichtungen auswirkt.

In bevorzugter Fortbildung der erfindungsgemäßen Oberflä­ chenerfassungseinrichtung enthalten die Sensoreinrichtungen zur Umwandlung von optischen Informationen in elektrische Si­ gnale eine CCD-Vorrichtung, die insbesondere eine Flächenan­ ordnung von einzelnen CCD-Elementen enthält und die zur Ein­ stellung des Detektionswinkels Θ' um eine Achse verstellbar angeordnet ist, die wenigstens annähernd in der die Bildebene bestimmenden strahlungssensitiven Oberfläche der CCD-Vorrich­ tung liegt. CCD-Vorrichtungen selbst mit hoher Auflösung sind günstig zu erhalten. Beispielsweise in Kombination mit einem Laser als Strahlungsquelle der Bestrahlungseinrichtungen kann ein äußerst rationeller und gleichzeitig genau arbeitender Aufbau realisiert werden. Die CCD-Vorrichtung enthält übli­ cherweise einen CCD-Chip, der eine insbesondere zweidimensio­ nale Sensorfläche aufweist, und es ist, wie vorstehend erläu­ tert ausreichend, wenn dieser CCD-Chip mit seiner strahlungs­ sensitiven Oberfläche drehbar angeordnet ist. Die weiteren Komponenten der CCD-Vorrichtung müssen nicht zusammen mit dem CCD-Chip entsprechend drehbar, sondern können einfach durch elektrische Leitungen mit letzterem verbunden ortsfest ange­ ordnet sein. Damit wird als weiterer Vorteil eine besonders kleinbauende und daher platzsparende Konstruktion erreicht.

Vorzugsweise wird bei einer anderen Weiterbildung der Erfin­ dung eine Drehscheibe verwendet, die den Sensoreinrichtungen zugeordnet sowie um die Achse zur Einstellung des Detektions­ winkels Θ' drehbar ist und bezüglich der die strahlungssensi­ tive Oberfläche der Sensoreinrichtungen so fixiert ist, daß die strahlungssensitive Oberfläche zur Einstellung des Detek­ tionswinkels Θ' um eine zumindest im wesentlichen in ihr ver­ laufende Achse zusammen mit der Drehscheibe verstellbar ist. Durch eine solche Drehscheibe wird eine besonders stabile Hal­ terung der strahlungssensitiven Oberfläche der Sensoreinrich­ tungen erreicht. Außerdem kann die strahlungssensitive Ober­ fläche der Sensoreinrichtungen auf einfache Weise bezüglich der Drehachse der Drehscheibe und stabil z. B. auf der Dreh­ scheibe montiert und justiert werden, so daß sichergestellt ist, daß die die Bildebene bestimmende strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen zur Einstellung des Detek­ tionswinkels Θ' um eine wenigstens annähernd in der Bildebene liegende Achse verstellbar ist. Ferner bietet die Drehscheibe eine besonders sichere und fein einstellbare Verstellmöglich­ keit für den Beobachtungswinkel Θ', so daß die geforderte Be­ dingung tan Θ' = 1/β tan Θ genau und zuverlässig eingestellt werden kann und die Einstellung auch über den Betrieb der Oberflächenerfassungseinrichtung gewährleistet ist.

Alternativ oder zusätzlich kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, daß die Sensoreinrichtungen eine um die Achse zur Ein­ stellung des Detektionswinkels Θ' drehbare Buchse enthalten, innerhalb der die strahlungssensitive Oberfläche der Sen­ soreinrichtungen so fixiert ist, daß die strahlungssensitive Oberfläche zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' um eine zumindest im wesentlichen in ihr verlaufende Achse zusammen mit der Buchse verstellbar ist, und daß die Buchse eine Buch­ senöffnung zum Durchlassen der mittels der Beobachtungsein­ richtungen von der zu erfassenden Objektoberfläche kommenden Strahlung enthält, wobei die Buchsenöffnung in der Drehrich­ tung um die Achse zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' solche Abmessungen aufweist, daß die mittels der Beobachtungs­ einrichtungen von der zu erfassenden Objektoberfläche kommende Strahlung bei verschiedenen Detektionswinkeln Θ' auf die strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen trifft. Damit kann eine besonders stabile Lagerung und Führung für die Drehbewegung der strahlungssensitiven Oberfläche der Sen­ soreinrichtungen erreicht werden. Eine Buchse bietet ferner eine mechanische und strahlungsmäßige Abschirmung für die emp­ findliche strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtun­ gen.

In Fortbildung der beiden vorstehenden erfindungsgemäßen Aus­ gestaltungen der Oberflächenerfassungseinrichtung kann ferner vorgesehen sein, daß die Drehscheibe oder die Buchse um die Achse zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' in einem Gehäu­ se, und insbesondere in einer Aufnahmeöffnung des Gehäuses drehbar angeordnet ist, das eine Gehäuseöffnung zum Durchlas­ sen der mittels der Beobachtungseinrichtungen von der zu er­ fassenden Objektoberfläche kommenden Strahlung enthält. Ein solches Gehäuse bietet eine besonders gute Möglichkeit zur Realisierung der Lagerung und Führung für die Drehbewegung der Drehscheibe oder der Buchse mit der strahlungssensitiven Ober­ fläche der Sensoreinrichtungen und schützt letztere vor mecha­ nischen Belastungen sowie weitgehend vor Fremdstrahlung. Bei dieser Ausführung der Erfindung kann ferner vorzugsweise vor­ gesehen sein, daß die Gehäuseöffnung direkt an die Beobach­ tungseinrichtungen angeschlossen ist und/oder einen Teil der Beobachtungseinrichtungen aufnimmt. Dadurch wird die Kompakt­ heit und Stabilität der Anordnung und weiter verbessert. Als Gehäuse im Sinne der Erfindung, in dessen Aufnahmeöffnung die Drehscheibe oder die Buchse angeordnet ist, ist auch eine sol­ che Struktur zu verstehen, über die die strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen und/oder ggf. die Buchse in Richtung der Achse zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' hinaussteht.

Die bereits angesprochene Strahlungsabschirmung vor Streu- oder Störstrahlung kann dadurch optimiert werden, daß die Buchse und/oder ggf. das Gehäuse mit Drehscheibe oder Buchse mit Ausnahme der Buchsenöffnung bzw. der Gehäuseöffnung zumin­ dest im wesentlichen strahlungsdicht abgeschlossen sind/ist.

Bei einer erfindungsgemäßen Oberflächenerfassungseinrichtung ist es ferner bevorzugt, daß der Detektionswinkel Θ' zwischen der Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen und der Bildebene auf den Sensoreinrichtungen und der Beobachtungswinkel Θ zwi­ schen den Hauptachsen der Bestrahlungseinrichtungen und der Beobachtungseinrichtungen in einer Ebene liegen.

Gemäß einer weiteren mit Vorzug eingesetzten Variante der Oberflächenerfassungseinrichtung nach der Erfindung verläuft die Achse, um die die Sensoreinrichtungen zur Einstellung des Detektionswinkeis Θ' verstellbar sind, zumindest im wesentli­ chen senkrecht zur Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen.

Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Oberflächenerfas­ sungseinrichtung vorgesehen, daß zumindest die die Bildebene bestimmende strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrich­ tungen wenigstens annähernd parallel und/oder in einer Ebene zumindest ungefähr senkrecht zur Hauptachse der Beobachtungs­ einrichtungen und/oder in einer die Hauptachse der Beobach­ tungseinrichtungen mindestens teilweise enthaltenden Ebene insbesondere zum Scharfstellen des mittels der Beobachtungs­ einrichtungen auf die Bildebene projizierten Bestrahlungsbil­ des verstellbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest die die Bildebene bestimmende strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen wenigstens annähernd äquidistant be­ züglich des Schnittpunktes der Hauptachsen der Bestrahlungs­ einrichtungen und der Beobachtungseinrichtungen zur Einstel­ lung des Beobachtungswinkels Θ insbesondere durch eine schie­ nenartige Führung verschwenkbar sein. Von den vorgenannten Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der strahlungssensitiven Oberfläche sind vorzugsweise wenigstens zwei gekoppelt.

Weitere Einstellmöglichkeiten für die Oberflächenerfassungs­ einrichtung nach der Erfindung können dadurch realisiert sein, daß zumindest ein Teil der Beobachtungseinrichtungen wenig­ stens annähernd parallel und/oder in einer Ebene zumindest un­ gefähr senkrecht zur Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen und/oder in einer die Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen mindestens teilweise enthaltenden Ebene insbesondere zum Scharfstellen des mittels der Beobachtungseinrichtungen auf die Bildebene projizierten Bestrahlungsbildes verstellbar ist. Dies kann ergänzt oder ersetzt werden dadurch, daß zumindest ein Teil der Beobachtungseinrichtungen zumindest annähernd äquidistant bezüglich des Schnittpunktes der Hauptachsen der Bestrahlungseinrichtungen und der Beobachtungseinrichtungen zur Einstellung des Beobachtungswinkels Θ insbesondere durch eine schienenartige Führung verschwenkbar ist, so daß der Be­ obachtungswinkel Θ vorzugsweise im Bereich von 10° bis 40° va­ riabel ist. Auch bei diesen Verstell- oder Schwenkmöglichkei­ ten nunmehr der Beobachtungseinrichtungen sind vorzugsweise wenigstens zwei gekoppelt. Außerdem können mindestens eine der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der Beobachtungseinrich­ tungen mit einer der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der strahlungssensitiven Oberfläche gekoppelt sein. Diese Ausge­ staltungen sind bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Oberflächenerfassungseinrichtung auch für sich alleine, d. h. auch ohne die vorstehend behandelte Erfindung, von eigenstän­ diger erfinderischer Bedeutung.

Auch bei Bestrahlungseinrichtungen der Oberflächenerfassungs­ einrichtung kann vorgesehen sein, daß zumindest ein Teil der Bestrahlungseinrichtungen wenigstens annähernd parallel und/oder in einer Ebene zumindest ungefähr senkrecht zur Hauptachse der Bestrahlungseinrichtungen und/oder in einer die Hauptachse der Bestrahlungseinrichtungen mindestens teilweise enthaltenden Ebene insbesondere zum Scharfstellen des mittels der Bestrahlungseinrichtungen auf die Objektoberfläche proji­ zierten Bestrahlungsbildes verstellbar ist. Wiederum im Kombi­ nation oder alternativ kann zumindest ein Teil der Bestrah­ lungseinrichtungen wenigstens annähernd äquidistant bezüglich des Schnittpunktes der Hauptachsen der Bestrahlungseinrichtun­ gen und der Beobachtungseinrichtungen zur Einstellung des Be­ obachtungswinkels Θ insbesondere durch eine schienenartige Führung verschwenkbar ist. Als Kopplungsmöglichkeiten sind hierbei vorgesehen wenigstens zwei der Verstell- oder Schwenk­ möglichkeiten der Bestrahlungseinrichtungen gekoppelt sind und/oder mindestens eine der Verstell- oder Schwenkmöglichkei­ ten der Bestrahlungseinrichtungen mit ggf. einer der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der Beobachtungseinrichtungen oder einer der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der strahlungs­ sensitiven Oberfläche. Bei einer Oberflächenerfassungseinrich­ tung nach dem Stand der Technik weisen diese Ausbildungen auch ohne einen Zusammenhang mit den übrigen Merkmalen der Erfin­ dung einen selbständigen erfinderischen Gehalt auf.

Die Einsatzmöglichkeiten der Oberflächenerfassungseinrichtung können ferner dadurch erweitert werden, daß die Beobachtungs­ einrichtungen zur Beeinflussung ihres Abbildungsmaßstabes β und/oder ihrer Auflösung auswechselbar sind oder auswechselba­ re optische Glieder enthalten. Diese Modulbauweise kann eben­ falls bei einer Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Stand der Technik auch ohne die dem weiter oben angegebenen Ziel dienenden Merkmale als Erfindung angesehen werden.

Zur Optimierung der optischen Informationen, die von der zu erfassenden Objektoberfläche gewonnen werden können, d. h., zur möglichst guten Abbildung der geometrischen Oberflächeneigen­ schaften enthalten die Beobachtungseinrichtungen der Oberflä­ chenerfassungseinrichtung wenigstens zwei und bevorzugt drei getrennte optische Glieder, die jeweils zumindest eine Linse und insbesondere jeweils insgesamt positive Brechkraft aufwei­ sen, und/oder wenigstens eine Blende. Dabei ist eine Ausfüh­ rung mit drei getrennten optischen Gliedern besonders bevor­ zugt, wobei insbesondere das mittlere optische Glied nahe der Blende und/oder die äußeren optischen Glieder in der Nähe der zu erfassenden Objektoberfläche bzw. der Bildebene angeordnet ist/sind, wobei vorzugsweise die Abstände der äußeren opti­ schen Glieder von der Blende größer als von der zu erfassenden Objektoberfläche bzw. der Bildebene sind. Diese Varianten sind bei einer Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Stand der Technik insbesondere auch dann von eigenständiger erfinderi­ scher Bedeutung, wenn sie die Merkmale von vorstehend be­ schriebenen Ausführungsbeispielen oder der allgemeinsten Anga­ be der Erfindung nicht aufweisen.

Als vorteilhaft wird es ferner erachtet, daß die Bestrahlungs­ einrichtungen bei der Oberflächenerfassungseinrichtung zum Be­ strahlen eines linienförmigen Teils der zu erfassenden Objek­ toberfläche ausgelegt sind und insbesondere Einrichtungen ent­ halten, die auf die Strahlung eine Zylinderlinsen- oder Hyper­ belprismenwirkung oder die Wirkung eines Dreh- oder Schwing­ spiegels ausüben. Dabei ist die Version mit einer Zylinderlin­ se oder einem Hyperbelprisma gegenüber einem Dreh- oder Schwingspiegel bevorzugt, da mit letzterem Vibrationen einher gehen können, die die gesamte Oberflächenerfassungseinrichtung nachteilig beeinflussen kann. Die Formulierung hinsichtlich der Wirkung von Zylinderlinse, Hyperbelprisma oder Drehspiegel auf die verwendete Strahlung soll deutlich machen, daß nicht zwingend im herkömmlichen Sinn als optische Strahlung bezeich­ nete Strahlung verwendet werden muß. Im Rahmen der Erfindung liegen insbesondere auch Wellenlängenbereiche außerhalb des Wellenlängenbereiches des sichtbaren Lichts und selbst der in­ fraroten und ultravioletten Strahlung. Die besonders bevorzug­ te Art der Linienerzeugung mittels einer Zylinderlinse oder einem Hyperbelprisma stellt in Verbindung mit einer Oberflä­ chenerfassungseinrichtung nach dem Stand der Technik eine ei­ gene, von anderen Merkmalskombinationen unabhängige erfinderi­ sche Leistung dar.

In Abhängigkeit von der verwendeten Strahlung wird bevorzugt eine Strahlungsquelle, wie insbesondere eine Laservorrichtung und bevorzugt eine Laserdiode als Bestandteil der Bestrah­ lungseinrichtungen verwendet. Laser haben neben der abgegebe­ nen kohärenten Strahlung den Vorteil, daß ihr Lichtstrahl stark gebündelt ist und daher eine exakte Beleuchtungsspur auf der zu erfassenden Objektoberfläche gewährleisten kann. Alter­ nativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, daß die Strah­ lungsquelle dimmbar ist, wobei vorzugsweise eine insbesondere automatische Regeleinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausge­ legt ist, die von der dimmbaren Strahlungsquelle abgegebene Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der von den Sen­ soreinrichtungen detektierten Signalintensität einzustellen. Die Anpassung der Laserleistung an das Reflexionsvermögen der Objektoberfläche und die Sensoreinrichtungen ist auch unabhän­ gig von anderen erfindungsgemäßen Merkmalen eine eigenständige Erfindung, wenn sie bei einer Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Stand der Technik eingesetzt wird.

Zur weitestgehenden Vermeidung von mechanischen Bewegungen an der diesbezüglich empfindlichen z. B. Optik der Bestrahlungs­ einrichtungen und der Beobachtungseinrichtungen sowie der Sen­ soreinrichtungen der erfindungsgemäßen Oberflächenerfassungs­ einrichtung ist vorzugsweise eine Objekthalterung vorgesehen, die insbesondere in einer Ebene quer zur Hauptachse der Be­ strahlungseinrichtungen vorzugsweise motorisch und insbesonde­ re bevorzugt gesteuert verstellbar ist. Die Verstellung der Objekthalterung in einer Ebene quer zur Hauptachse der Be­ strahlungseinrichtungen ermöglicht das Abtasten der zu erfas­ senden Objektoberfläche in kleinen Teilen, die schließlich zu­ sammengesetzt ein Abbild der gesamten erfaßten Objektoberflä­ che ergeben. Diese Verstellung z. B. längs oder parallel karte­ sischer Koordinatenachsen erfolgt bevorzugt motorisch ange­ trieben und gesteuert, um die Abtastung zu automatisieren und ihre Genauigkeit möglichst hoch zu halten. Weitere Verstell­ möglichkeiten zum Kippen und/oder Drehen des Objektes, dessen Oberfläche erfaßt werden soll, erleichtern insbesondere dann, wenn sie motorisch und gesteuert erfolgen die Erfassung von Hinterschneidungen in der und Abschattungen der zu erfassenden Objektoberfläche sowie von Seitenflächen und Unterseiten des entsprechenden Objektes. Der Einsatz einer solchen Objekthal­ terung bei einer Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Stand der Technik ist auch getrennt von anderen vorstehenden Merkmalen der Erfindung als selbständige Erfindung anzusehen.

Für die Steuerungen der möglichen Freiheitsgrade und Auswer­ tungen der Ausgaben der Sensoreinrichtungen ist es bevorzugt, daß insbesondere eine Computersteckkarte enthaltende Auswerte­ einrichtungen zum daten- und/oder bildmäßigen Aufbereiten und insbesondere Anzeigen der Ausgaben der Sensoreinrichtungen vorgesehen sind, wobei die Auswerteeinrichtungen vorzugsweise ferner zur betriebsmäßigen Versorgung und insbesondere Steue­ rung von Komponenten der Oberflächenerfassungseinrichtung, wie bevorzugt der Sensoreinrichtungen, der Strahlungsquelle, ggf. der Regeleinrichtung für die Strahlungsintensität, ggf. von Einrichtungen zum Verstellen oder Verschwenken der Bildebene der Sensoreinrichtungen, zumindest von Teilen der Bestrah­ lungseinrichtungen, zumindest von Teilen der Beobachtungsein­ richtungen und/oder der Objekthalterung ausgelegt sind. Die Verwendung einer Computersteckkarte ermöglicht es, durch den Einsatz handelsüblicher Computer spezielle Aufwendungen für die Auswerteeinrichtungen gering zu halten und dennoch eine ausreichende Prozessor- und Speicherleistung zu Verfügung zu haben. Auch in diesen Ausführungsvarianten ist eine eigene Er­ findung zu sehen, die bei einer beliebigen Oberflächenerfas­ sungseinrichtung nach dem Stand der Technik mit Vorteil an­ wendbar ist.

Die vorstehende Ausgestaltung kann dadurch weitergebildet wer­ den, daß die Auswerteeinrichtungen über Speichereinrichtungen verfügen und ferner dazu ausgelegt sind, die in den Spei­ chereinrichtungen abgelegten Daten von unterschiedlichen Teil­ bereichen oder unterschiedlichen Ansichten eines Teilbereichs der zu erfassenden Objektoberfläche zu einem Gesamtdatensatz und/oder einem Gesamtbild zu kombinieren und ggf. vorzugsweise die Objekthalterung so zu steuern, daß die zu erfassende Ob­ jektoberfläche in aufeinanderfolgenden, sich insbesondere teilweise überdeckenden Bahnen bestrahlt wird. Dies kann bei­ spielsweise mittels eines sogenannten Matching-Verfahrens er­ reicht werden, durch das Einzelbilder selbst aus unterschied­ lichen Betrachtungsrichtungen, d. h. bei verschiedenen Bestrah­ lungsrichtungen, durch Auswertung von identischen, sich dec­ kenden Teilbereichen einzelner Ansichten, zu einem Gesamtob­ jekt zusammengesetzt werden können.

Alternativ oder zusätzlich zur vorstehend geschilderten Ausge­ staltung ist es möglich, daß die Auswerteeinrichtungen zum An­ zeigen eines zweidimensionalen Abbildes der zu erfassenden Ob­ jektoberfläche insbesondere wahlweise gleichzeitig oder alter­ nativ zur Anzeige von dreidimensionalen Werten oder Graphiken der zu erfassenden Objektoberfläche ausgelegt ist, wobei vor­ zugsweise die Bestrahlungseinrichtungen für eine Gesamtbe­ strahlung einstellbar oder eine zusätzliche bevorzugt dimmbare Gesamtbestrahlungsquelle vorgesehen ist. Damit kann das gewon­ nene dreidimensionale Abbild des Objektes zumindest in einer Lage des realen Objektes mit einem zweidimensionalen Abbild überlagert werden, so daß ein Betrachter oder sogar eine Ver­ arbeitungsautomatik, wie der evtl. ohnehin bereits zur Auswer­ tung und Steuerung verwendete Computer mit einer geeigneten Software oder entsprechenden Hardwaremitteln einen Vergleich des dreidimensionalen Abbildes und der zweidimensionalen Wie­ dergabe dahingehend durchführen, daß alle Oberflächenformatio­ nen zutreffend erfaßt wurden.

Die Auswerteeinrichtungen können ferner zur halbautomatischen oder vollautomatischen Erkennung von fehlenden Informationen über die zu erfassende Objektoberfläche und zur Beschaffung der fehlenden Informationen durch Steuerung von Komponenten der Oberflächenerfassungseinrichtung, insbesondere die Objekt­ halterung und vorzugsweise deren Lage und/oder eines Verschie­ beweges davon, in Abhängigkeit von den Ausgaben der Sensorein­ richtungen ausgelegt sein. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, daß reale Objekte vollständig und automatisch erfaßt werden, ohne daß Lücken oder Fehler enthalten sind. Diese Au­ tomatisierung stellt außerdem eine eigene Erfindung dar, wenn sie bei einer Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Stand der Technik auch ohne andere, vorstehend behandelte Merkmale angewandt wird.

Um Störstrahlung, wie z. B. Hintergrundbeleuchtung, Reflexe u. a. von den Sensoreinrichtungen und insbesondere deren strah­ lungssensitiver Oberfläche fern zu halten, ist gemäß einer an­ deren bevorzugten Version der Erfindung vorgesehen, daß die Beobachtungseinrichtungen zumindest eine Filtervorrichtung zum Aus filtern von Störstrahlung insbesondere unmittelbar vor der Bildebene auf den Sensoreinrichtungen und bevorzugt wahlweise in den Strahlengang einbringbar enthalten. In Verbindung mit den weiter oben erläuterten Ausgestaltungsmöglichkeiten mit einem Gehäuse oder einer Buchse kann die zumindest eine Fil­ tervorrichtung der Hülse oder der Buchse und insbesondere der Hülsenöffnung bzw. der Buchsenöffnung zugeordnet sein. Damit wird vor allem im Zusammenhang mit einer strahlungsdichten Bauart des Gehäuses oder der Buchse zuverlässig verhindert, daß Störstrahlung ins Innere des Gehäuses oder der Buchse ge­ langen kann. In weiterer Ausgestaltung der vorstehend angege­ benen Varianten ist es von Vorteil, wenn die zumindest eine Filtervorrichtung ein Wellenlängenfilter zum Durchlassen oder Aus filtern wenigstens einer konkreten Wellenlänge, ein Polari­ sationsfilter oder ein Interferenzfilter ist. Eine Anpassung an die tatsächlichen Gegebenheiten in der Oberflächenerfas­ sungseinrichtung kann somit ohne weiteres vorgenommen werden, um die Bedingungen für die durchzuführenden Messungen zu opti­ mieren. Diese Vorteile lassen sich mit den genannten Merkmalen auch bei einer im übrigen nicht erfindungsgemäßen Oberflä­ chenerfassungseinrichtung nach dem Stand der Technik mit Vor­ teil anwenden und stellen daher insoweit eine selbständige Er­ findung dar.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung enthalten die Oberflächenerfassungseinrichtung ein schwingungs- und verwin­ dungsstabiles Portal zur Aufnahme der Bestrahlungseinrichtun­ gen, der Beobachtungseinrichtungen und/oder der Sensoreinrich­ tungen, wobei dem Portal insbesondere ferner Antriebseinrich­ tungen zur Verstellung einer Objekthalterung zugeordnet sind. Die genannte Portalbauweise kann auch als unabhängige Erfin­ dung bei anderen Oberflächenerfassungseinrichtungen nach dem Stand der Technik mit Vorteil eingesetzt werden.

Zur Erleichterung der maßgenauen Justierung der Oberflächener­ fassungseinrichtung können für Eichkörper Justiervorrichtungen vorgesehen sein, die zur Aufnahme vorzugsweise einer Kreuz­ platte und/oder eines Stufenendmaßes, insbesondere eines Mehr­ stufenendmaßes, als Eichkörper ausgelegt sind, worin auch eine eigenständige Erfindung für beliebige Oberflächenerfassungs­ einrichtungen nach dem Stand der Technik zu sehen ist.

Als praxisrelevante Weiterbildung der Oberflächenerfassungs­ einrichtung nach der Erfindung wird ferner angesehen, daß Formgebungseinrichtungen zur insbesondere wählbar automati­ schen Erstellung dreidimensionaler Kopien von Objekten oder deren Oberflächen system- und steuerungsmäßig integriert sind, wobei die Formgebungseinrichtungen nicht notwendigerweise mit der Oberflächenerfassungseinrichtung eine physikalische Ein­ heit bilden müssen. Diese Kombination der Oberflächenerfassung einerseits mit direkt angekoppelter Formbildung stellt in Kom­ bination mit einer beliebigen Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Stand der Technik auch eine eigenständige Erfindung dar.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein nach dem Triangulationsprinzip funktionierendes Verfahren zur Ober­ flächenerfassung anzugeben, das einfach und exakt einzujustie­ ren und einzusetzen ist.

Dieses Ziel wird mit einem Verfahren zur Oberflächenerfassung nach dem Anspruch 26 erreicht.

Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren zur Oberflächenerfas­ sung nach dem Triangulationsprinzip zur 3D-Datengewinnung mit Bestrahlungseinrichtungen zumindest ein Teil der zu erfassen­ den Objektoberfläche bestrahlt und wenigstens ein Ausschnitt des bestrahlten Teils der zu erfassenden Objektoberfläche mit­ tels Beobachtungseinrichtungen zum Detektieren unter der Be­ dingung

tan Θ' = 1/β tan Θ;

auf Sensoreinrichtungen abgebildet, wobei Θ' der Detektions­ winkel zwischen der Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen und einer Bildebene auf den Sensoreinrichtungen, β der für je­ den Punkt der Objektoberfläche konstante Abbildungsmaßstab der Beobachtungseinrichtungen und Θ der Beobachtungswinkel zwi­ schen den Hauptachsen der Bestrahlungseinrichtungen und der Beobachtungseinrichtungen sind. Weiterhin wird zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' zumindest eine die Bildebene bestim­ mende strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen um eine in der Bildebene liegende Achse verstellt.

Zumindest vor einer ersten Durchführung des Verfahrens zur Oberflächenerfassung nach der Erfindung wird in einer vorzugs­ weisen Weiterbildung eine Eichung mittels wenigstens eines Eichkörpers, vorzugsweise einer Kreuzplatte und/oder eines Stufenendmaßes, insbesondere eines Mehrstufenendmaßes, durch­ geführt, wobei vor einer Eichung bevorzugt ggf. eine Kreuzplatte zumindest annähernd parallel zur Hauptachse der Bestrahlungseinrichtungen und insbesondere wenigstens ungefähr senkrecht zur durch die Winkel Θ' und Θ aufgespannten Ebene einjustiert wird. Die Eichung kann auf diese Weise schnell und exakt durchgeführt werden.

Weiterhin kann erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehen sein, daß auf eine zu erfassende Objektoberfläche vor ihrer Erfassung eine diffus reflektierende Schicht, vorzugsweise in Spray- oder Pulverform aufgebracht wird. Damit kann eine zu erfassen­ de Objektoberfläche optimal auf die Vermessung in einer opti­ schen Oberflächenerfassungseinrichtung, die nach dem Triangu­ lationsprinzip arbeitet, vorbereitet werden, so daß während der Oberflächenerfassung verwertbare Meßergebnisse erhalten werden können, auch wenn die Objektoberfläche selbst nicht diffus reflektierend ist. Es ist darauf zu achten, daß die aufgetragene Schicht derart ist, daß sie bei der Oberflä­ chenerfassung vernachlässigbar ist.

Eine andere Fortbildung der Erfindung betrifft die Optimierung der Meßempfindlichkeit der Sensoreinrichtungen. Dazu wird ge­ mäß der Erfindung die Intensität der von den Bestrahlungsein­ richtungen abgegebenen Strahlung insbesondere automatisch in Abhängigkeit von der Empfindlichkeit der Sensoreinrichtungen und dem Reflexionsverhalten der zu erfassenden Objektoberflä­ che eingestellt. Unabhängig von anderen Erfindungsmerkmalen, wie sie bisher angegeben wurden, bilden diese Varianten auch einen eigenen Erfindungskomplex.

Wenn, wie vorzugsweise ferner vorgesehen ist, mittels der Be­ strahlungseinrichtungen auf der zu erfassenden Objektoberflä­ che eine Bestrahlungslinie erzeugt und die Objektoberfläche zumindest im wesentlichen senkrecht zu der Bestrahlungslinie verstellt wird, kann auf besonders rationelle und schnelle Weise die gesamte Oberfläche des Objektes oder ein gewünschter Teil davon erfaßt werden.

Das stückweise Abtasten entsprechend der vorstehend angegebe­ nen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und auch ein Ab­ tasten mehrerer Seiten des Objektes kann in vorteilhafter Wei­ se zum Erhalten des Gesamtobjektes in Form seiner dreidimen­ sionalen Daten und deren Darstellung verwendet werden, indem, wie vorausgesetzt, eine zu erfassende Objektoberfläche in Tei­ len erfaßt wird, die mittels mit Speichereinrichtungen zum Ab­ legen erfaßter Teile der zu erfassenden Objektoberfläche ver­ sehenen Auswerteeinrichtungen vorzugsweise wenigstens halbau­ tomatisch und besonders bevorzugt vollautomatisch daten- und/oder bildmäßig zusammengesetzt werden. Hierin ist auch ei­ ne von den übrigen Erfindungsausführungen unabhängige Gestal­ tung zu sehen.

Gerade für das Zusammensetzen von verschiedenen Seiten des zu erfassenden Objektes oder von verschiedenen Ansichten dersel­ ben Objektseite zur Erfassung von Hinterschneidungen und Ab­ schattungen auf der Objektoberfläche ist es von Vorteil, wenn von einer zu erfassenden Objektoberfläche unter verschiedenen Bestrahlungswinkeln Erfassungen durchgeführt werden, die mit­ tels mit Speichereinrichtungen zum Ablegen durchgeführter Er­ fassungen der zu erfassenden Objektoberfläche versehenen Aus­ werteeinrichtungen vorzugsweise wenigstens halbautomatisch und besonders bevorzugt vollautomatisch daten- und/oder bildmäßig zusammengesetzt werden, was auch eine eigenständige Erfindung darstellt, die ohne weitere Merkmale der vorstehend beschrie­ benen Verfahren mit Vorteil anwendbar ist.

Es ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ferner vorteilhaf­ terweise möglich, daß mittels der Auswerteeinrichtungen be­ stimmt wird, ob eine Erfassung zumindest eines Teils der zu erfassenden Objektoberfläche vollständig war, und daß, wenn vorzugsweise wenigstens halbautomatisch und besonders bevor­ zugt vollautomatisch eine nicht vollständige Erfassung zumin­ dest des Teils der zu erfassenden Objektoberfläche festge­ stellt wird, eine Objekthalterung eingestellt und/oder vor­ zugsweise wenigstens halbautomatisch und besonders bevorzugt vollautomatisch von den Auswerteeinrichtungen so zum Verschie­ ben, Drehen und/oder Kippen gesteuert wird, daß die Erfassung wenigstens des Teils der zu erfassenden Objektoberfläche kom­ plettiert wird. Damit ist ferner auch eine eigene Erfindung gegeben, die nicht zwingend weitere Merkmale benötigt, soweit sie bisher im Rahmen der Erfindung angegeben wurden.

Bei einer weiteren Version der Erfindung wird nach der Erfas­ sung der gesamten gewünschten Objektoberfläche oder des gesam­ ten Objektes mittels der erhaltenen Informationen über die Ob­ jektoberfläche oder das Objekt insbesondere wählbar automa­ tisch mit einem formgebenden Verfahren eine dreidimensionale Kopie der Objektoberfläche oder des Objekts erstellt, was ebenfalls eine eigenständige erfinderische Bedeutung hat.

Weitere vorteilhafte und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfin­ dung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und deren Kom­ binationen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len näher beschrieben, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird, in der:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer optisch arbei­ tenden Oberflächenerfassungseinrichtung zeigt,

Fig. 2 eine Prinzipskizze der Geometrie zur Tri­ angulation ist,

Fig. 3 eine Prinzipskizze zur Scheimpflug-Bedin­ gung ist,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des doppelt telezentrischen Aufbaus bei einer optisch arbeitenden Oberflächenerfassungseinrich­ tung zeigt,

Fig. 5a, 5b und 5c Aufnahmen eines Kreuzgitters a) ohne daß die Scheimpflugbedingung erfüllt ist und doppelte Telezentrie angewandt wird, b) bei erfüllter Scheimpflugbedingung, aber ohne Anwendung doppelter Telezentrie, und c) bei erfüllter Scheimpflugbedingung und mit doppelter Telezentrie sind,

Fig. 6 eine schematische Draufsichtdarstellung einer ersten Ausführung der Oberflä­ chenerfassungseinrichtung zeigt,

Fig. 7 eine gegenüber der Fig. 6 vergrößerte schematische Draufsichtdarstellung eines gegenüber der ersten Ausführung der Ober­ flächenerfassungseinrichtung bei einer zweiten Ausführung der Oberflächenerfas­ sungseinrichtung verschiedenen Teils der letzteren zeigt,

Fig. 8 eine schematischen perspektivische Illu­ stration einer dritten Ausführung der Oberflächenerfassungseinrichtung ist,

Fig. 9a und 9b Schemazeichnungen einer Anordnung der Be­ obachtungseinrichtungen einer vierten Ausführung der Oberflächenerfassungsein­ richtung sind,

Fig. 10 eine Schemazeichnung einer Anordnung der Beobachtungseinrichtungen einer fünften Ausführung der Oberflächenerfassungsein­ richtung ist,

Fig. 11 eine Anordnungsskizze der Bestrahlungs­ einrichtungen einer sechsten Ausführung der Oberflächenerfassungseinrichtung zeigt,

Fig. 12 eine Prinzipdarstellung einiger Frei­ heitsgrade der Oberflächenerfassungsein­ richtung ist,

Fig. 13a, 13b, 13c jeweils I) eine Vorderansicht, II) eine Seitenansicht und III) eine Draufsicht von drei verschiedenen Ausführungen einer Halterung der Oberflächenerfassungsein­ richtung sind,

Fig. 14a, 14b, 14c jeweils eine Ausführungsvariante einer Linearverstellung für die Sensoreinrich­ tungen der Oberflächenerfassungseinrich­ tung darstellt,

Fig. 15a, 15b, 15c jeweils eine Realisierungsmöglichkeit ei­ ner Linearverstellung für die Kombination aus den Sensoreinrichtungen mit den Beob­ achtungseinrichtungen der Oberflächener­ fassungseinrichtung zeigt,

Fig. 16 in einer Vorderansicht I) und einer Sei­ tenansicht II) eine weitere Ausführung von Winkeleinstellmöglichkeiten der Sen­ soreinrichtungen der Oberflächenerfas­ sungseinrichtung illustrieren,

Fig. 17a, 17b, 17c Verstellvarianten für die Bestrahlungs­ einrichtungen der Oberflächenerfassungs­ einrichtung aufzeigen,

Fig. 18 eine gegenüber der in der Fig. 11 gezeig­ ten Ausführung andere Variante der Be­ strahlungseinrichtungen einer siebenten Ausführung der Oberflächenerfassungsein­ richtung zeigt,

Fig. 19a I) ein Stufenendmaß und II) ein davon mit der Oberflächenerfassungseinrichtung ge­ wonnenes Bild darstellt,

Fig. 19b I) ein Mehrstufenendmaß und II) ein davon mit der Oberflächenerfassungseinrichtung gewonnenes Bild zeigt,

Fig. 20 eine Wiedergabe einer Kreuzgitterplatte zum Eichen der Oberflächenerfassungsein­ richtung ist,

Fig. 21a eine Prinzipskizze der Freiheitsgrade der Kreuzgitterplatte beim Eichen der Ober­ flächenerfassungseinrichtung verdeut­ licht,

Fig. 21b eine Justiervariante für die Kreuzgitter­ platte zum Eichen der Oberflächenerfas­ sungseinrichtung veranschaulicht,

Fig. 21c eine Darstellung zur Verdeutlichung der Fehlerrechnung beim Eichen der Oberflä­ chenerfassungseinrichtung ist,

Fig. 21d I) eine Seitenansicht, II) eine Vorderan­ sicht und III) eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zum Eichen der Oberflächener­ fassungseinrichtung mit einer Kreuzgit­ terplatte sind,

Fig. 22a und 22b jeweils unterschiedliche perspektivische Ansichten einer Objekthalterung der Ober­ flächenerfassungseinrichtung darstellen,

Fig. 23 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Erfassung einer Objektoberfläche zeigt, und

Fig. 24 eine siebten Ausführung der Oberflä­ chenerfassungseinrichtung schematisch an­ gibt.

In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche oder ähnliche oder gleich oder ähnlich wirkende Teile und Komponenten mit densel­ ben Bezugszeichen versehen. Aus den Darstellungen sind insbe­ sondere in der vergleichenden Betrachtung verschiedener Abbil­ dungen ferner auch ohne zugeordnete Bezugszeichen oder nähere Angaben in der folgenden Beschreibung Komponenten und Teile sowie deren Funktionen und Wirkungsweisen ohne weiteres er­ kennbar.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von konkreten Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert, die jedoch nur exemplarisch angegeben sind und den Gesamtgehalt der Erfindung nicht darauf beschränken. Die Möglichkeiten, die die Erfindung zur Ausge­ staltung der Oberflächenerfassungseinrichtung sowie des Ver­ fahrens zur Erfassung einer Objektoberfläche beinhaltet, be­ stimmen sich nach dem, was in den Ansprüchen und in dem voran­ stehenden einleitenden Teil dieser Beschreibung angegeben ist. Die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsbeispiele dient einerseits lediglich der Verdeutlichung der Erfindung und bil­ det aber auch eine Grundlage für weitere Ausgestaltungsmög­ lichkeiten im Rahmen der Erfindung bezüglich aller Merkmale und deren Verallgemeinerungen, die ein Fachmann ohne weiteres oder unter Zuhilfenahme seines Fachwissens daraus erhalten kann.

Zunächst werden einige der Erfindung zu Grunde liegende Prin­ zipien erläutert.

In der Fig. 1 ist eine Prinzipskizze einer optisch arbeitenden Oberflächenerfassungseinrichtung 1 gezeigt. Dabei wird auf ei­ nem Objekt 2 mittels Bestrahlungseinrichtungen 3, von denen hier nur eine Anordnung 4 zur Erzeugung einer Lichtlinie 5 und der Strahlengang 6 angedeutet sind, die Lichtlinie 5 auf der Oberfläche 7 des Objekts 2 erzeugt, das eine Ausgestaltung 8 mit einer Höhe h aufweist. Der Betrachter dieser Abbildung sieht diese in Richtung der Hauptachse von hier nicht darge­ stellten Beobachtungseinrichtungen, und es ist zu erkennen, daß die Lichtlinie 5 auf dem Teil der Oberfläche 7, der durch die Ausgestaltung 8 gebildet wird, gegenüber den anderen An­ teilen der Lichtlinie 5 auf der übrigen Oberfläche 7 des Ob­ jekts 2 versetzt ist. Dies ist das Grundprinzip der Triangula­ tion und der beobachtete Versatz ist ein Maß für die Höhe h der Ausgestaltung 8 gegenüber der benachbarten Oberfläche 7 des Objekts 2.

Eine derartige Oberflächenerfassungseinrichtung 1, die nach dem Prinzip der Triangulation arbeitet, kann auch als Licht­ schnittsensor bezeichnet werden. Allgemein wird dabei über die Bestrahlungseinrichtungen 3, die z. B. eine Beleuchtungsoptik enthalten können eine möglichst punktförmige Strahlungsquelle, wie beispielsweise eine Lichtquelle in Form eines Lasers, auf das zu erfassende Objekt 2 abgebildet. Ein in den Strahlengang eingebauter Schwingspiegel erzeugt aus dem projizierten Licht­ punkt eine Lichtlinie 5. Dieser Schwingspiegel stellt somit eine Ausführung einer Anordnung 4 zur Erzeugung einer Lichtli­ nie 5 dar. Diese Lichtlinie 5 wird dann unter den Beobach­ tungs- oder Triangulationswinkel Θ mit Hilfe von Beobachtungs­ einrichtungen 9 (siehe z. B. Fig. 2), die beispielsweise eine Kameraoptik (in der Fig. 1 nicht dargestellt) enthalten kön­ nen, auf die Sensoreinrichtungen 10 (siehe z. B. Fig. 2) abge­ bildet. Die Sensoreinrichtungen 10 enthalten beispielsweise einen CCD-Chip 11 (siehe z. B. Fig. 2), der eine strahlungssen­ sitive Oberfläche 12 (siehe z. B. Fig. 2) bildet, auf die die Lichtlinie 5 von der Oberfläche 7 des Objekts 2 durch die Be­ obachtungseinrichtungen 9 abgebildet wird.

Durch den Unterschied zwischen der Bestrahlungsrichtung längs der Hauptachse 13 der Bestrahlungseinrichtungen 3 und der Be­ obachtungsrichtung längs der Hauptachse 14 der Beobachtungs­ einrichtungen 9, d. h., den Beobachtungs- oder Triangulations­ winkel Θ werden Höhenunterschiede auf der Oberfläche 7 des Ob­ jekts in seitliche Verschiebungen der Lichtlinie 5 auf der strahlungssensitiven Oberfläche 12 des CCD-Chips 11 detektier­ bar. Wird nun die gesamte Oberfläche 7 des Objekts 2 mit der Lichtlinie 5 abgetastet, z. B. indem das Objekt 2 unter der Lichtlinie 5 in einer oder erforderlichenfalls, wenn die Lichtlinie 5 eine Dimension der Oberfläche 7 des Objekts 2 nicht völlig abdeckt, in zwei bevorzugt zueinander senkrechten Richtungen verfahren wird, so kann die Oberfläche 7 des Ob­ jekts 2 dadurch vollständig erfaßt werden. Das Grundkonzept sieht somit eine 3D-Datengewinnung von einer Objektoberfläche oder allgemein einem Objekt insbesondere nach dem Triangulati­ onslichtschnittverfahren vor.

Die genaue Geometrie zur Triangulation ist in der Fig. 2 dar­ gestellt. In dieser Prinzipskizze sind die Anordnungen von Be­ strahlungseinrichtungen 3, Objekt 2, Beobachtungseinrichtungen 9 und Sensoreinrichtungen 10 mit einem CCD-Chip 11 und der darauf gebildeten strahlungssensitiven Oberfläche 12 gezeigt. Der Beobachtungs- oder Triangulationswinkel Θ zwischen den beiden Hauptachsen 13 und 14 ist eingezeichnet. Weiterhin ist der Darstellung die Projektion A eines einzelnen Pixels 11' des CCD-Chips 11 zu entnehmen.

Zur Verbesserung der erzielbaren Meßergebnisse wird die die Bildebene der Beobachtungseinrichtungen 9 bildende strahlungs­ sensitive Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 gemäß der Scheimpflug-Bedingung eingestellt, wie in der Fig. 3 veran­ schaulicht ist. Dies bedeutet, daß die strahlungssensitive Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 mit der Bildebene ge­ genüber der Hauptachse 14 der Beobachtungseinrichtungen um den Winkel Θ', der hier auch Detektionswinkel genannt wird, ge­ kippt ist. Wird z. B. der CCD-Chip 11 gemäß der Scheimpflug-Be­ dingung tan Θ' = 1/β tan Θ eingestellt, wobei β der Abbildungs­ maßstab der Beobachtungseinrichtungen 9 ist, so wird jeder Punkt auf der Oberfläche 7 des Objekts 2 scharf auf die Bilde­ bene abgebildet. Weiterhin erlaubt die Scheimpflug-Bedingung die Verwendung größerer Beobachtungsaperturen, womit die Meß­ genauigkeit weiter gesteigert werden kann.

Da der sich über die Höhenausdehnung der Oberfläche 7 des Ob­ jekts 2 der Abbildungsmaßstab β ändert, kann die Scheimpflug- Bedingung tan Θ' = 1/β tan Θ jedoch nur annähernd für alle Hö­ henwerte der Oberfläche 7 des Objekts 2 erfüllt werden. Daher wird eine in der Fig. 4 exemplarisch und schematisch gezeigte Anordnung verwendet, die wegen der objektseitigen und gleich­ zeitig bildseitigen Telezentrie als doppelte Telezentrie be­ zeichnet wird eingesetzt. Dadurch wird gewährleistet, daß der Abbildungsmaßstab β unabhängig von der Lage der Punkte auf Oberfläche 7 des Objekts 2 immer konstant bleibt. Gleichzeitig wird jeder Punkt auf Oberfläche 7 des Objekts 2 scharf in die Bildebene projiziert. Hierzu enthalten die Beobachtungsein­ richtungen 9 bei dem gezeigten Beispiel zwei optische Glieder 15 und 16 sowie eine Blende 17. Bei den optischen Gliedern 15 und 16 handelt es sich um Linsen oder Linsensysteme mit Brenn­ weiten f₁ für das optische Glied 15 und f₂ für das optische Glied 16. Für diese Parameter gilt bei der doppelten Telezen­ trie somit β = f₂/f₁ = konstant. Wenn die Objektebene, d. h. die Hauptachse 13 der Bestrahlungseinrichtungen 3, um den Triangu­ lationswinkel Θ gegenüber der Hauptachse 14 der Beobachtungs­ einrichtungen 9, d. h. im bisher behandelten rein optischen Fall gegenüber der optischen Achse der Beobachtungseinrichtun­ gen 9, geneigt ist läßt sich zeigen, daß unter der Bedingung tan Θ' = 1/β tan Θ alle Punkte auf Oberfläche 7 des Objekts 2 scharf auf die Bildebene, d. h. auf die strahlungssensitive Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10, projiziert werden. Dieser Zusammenhang ist analog der Scheimpflug-Bedingung, je­ doch mit dem Unterschied, daß auf Grund des konstanten Abbil­ dungsmaßstabes β die Schärfeforderung exakt erfüllt ist. Wei­ terhin beeinflussen unterschiedliche Gegenstandsweiten nicht den Neigungswinkel der Bildebene. Dies hat den weiteren Vor­ teil, daß eine nachträgliche Änderung des Objektabstandes von einem festen Aufbau der Beobachtungseinrichtungen 9 und den Sensoreinrichtungen 10 möglich ist.

Die Auswirkungen der Scheimpflug-Bedingung und der doppelten Telezentrie lassen sich in den Fig. 5a, 5b und 5c deutlich er­ kennen, in denen jeweils ein Bild eines Kreuzgitters (siehe z. B. Fig. 20) gezeigt ist, wie es mittels der Sensoreinrich­ tungen 10 erhalten wird. Die Fig. 5a zeigt eine Aufnahme des Kreuzgitters, bei der die strahlungssensitive Oberfläche 12 beispielsweise eines CCD-Chips 11 senkrecht zur optischen Ach­ se der Beobachtungseinrichtungen 9, d. h. zu deren Hauptachse 14 steht. Dies entspricht der gewöhnlichen Anordnung. Es sind deutlich Mängel bei der Schärfe der abgebildeten Kreuze zu er­ kennen. Die Aufnahme des Kreuzgitters unter Einhaltung der Scheimpflug-Bedingung ist in der Fig. 5b dargestellt. Die Ab­ bildung ist gegenüber der in der Fig. 5a gezeigten deutlich schärfer. Es läßt sich jedoch klar eine Verzerrung erkennen. Die Änderung dβ des Abbildungsmaßstabes β beträgt bei dem ge­ zeigten Beispiel für einen Höhenunterschied von 2 cm auf der Oberfläche 7 des Objekts 2 etwa 0,0375. Dies bedeutet, daß Strecken und Längen innerhalb eines Höhenbereichs von 2 cm ih­ ren Wert um ca. 10% ändern. Damit wären eine Eichung schwie­ rig und ein hoher Auswerteaufwand zum Ausgleich dieser Verzer­ rungen nötig. Durch den Einsatz der doppelten Telezentrie zu­ sätzlich zur Erfüllung der Scheimpflug-Bedingung werden die bei bloßem Einsatz der Scheimpflug-Bedingung auftretenden Pro­ bleme behoben, wie die Fig. 5c zeigt, in der eine Aufnahme des Kreuzgitters unter Einhaltung der Scheimpflug-Bedingung und gleichzeitigen Anwendung der doppelten Telezentrie dargestellt ist. Da Telezentrie nichts anderes als gleichbleibender Abbil­ dungsmaßstab bedeutet, wird damit eine scharfe und unverzerrte Abbildung erreicht. Lediglich der Vollständigkeit halber wird noch angegeben, daß der Abstand der Kreuze des für alle drei Aufnahmen verwendeten Kreuzgitters 2,6 mm und der Triangulati­ onswinkel 20° waren.

Hinsichtlich weiterer Einzelheiten und Möglichkeiten einer Oberflächenerfassungseinrichtung und eines Verfahrens zur Er­ fassung einer Objektoberfläche im Sinne der Erfindung wird auf die Diplomarbeit von Herrn Albert Mehl vom März 1992 mit dem Thema "Methoden der 3D-Informationsgewinnung mit dem Licht­ schnittsensor" am Lehrstuhl für angewandte Optik des Physika­ lischen Instituts der Universität Erlangen-Nürnberg Bezug ge­ nommen und der Inhalt dieser Veröffentlichung dadurch hiermit ausdrücklich vollumfänglich in die vorliegenden Unterlagen aufgenommen.

Bevor nach den bisher behandelten Prinzipien, die der Erfin­ dung zu Grunde liegen, mit der Beschreibung konkreter Ausfüh­ rungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung fortgefahren wird, wird noch angegeben, welcher Umfang unter einigen in diesen Unterlagen verwendeten Bezeichnungen zu verstehen ist und welche Ausführungsmöglichkeiten hierunter fallen.

Durch die Wahl des Begriffs Bestrahlungseinrichtungen soll zum Ausdruck kommen, daß nicht nur Licht im herkömmlichen Sinn, d. h. insbesondere im sichtbaren Wellenlängenbereich, für die Beleuchtung der Objektoberfläche verwendet werden kann. Grund­ sätzlich ist jegliche Art von Strahlung einsetzbar, wobei je­ doch auf die Struktur der zu erfassenden Objekte Rücksicht zu nehmen ist und die Beobachtungseinrichtungen mit ihren Wirkun­ gen und die Sensoreinrichtungen auf die verwendete Strahlung abzustimmen sind.

Beispielsweise können die Bestrahlungs- oder Beleuchtungsein­ richtungen eine Laserdiode und eine Strahlformungsoptik ent­ halten, die den Strahl auf das Objekt fokussiert. Um eine Lichtlinie zu erhalten, kann eine Zylinderlinse, ein Hyper­ pelprisma oder ein Schwing- oder Drehspiegel in den Strahlen­ gang gebracht werden. Ein solcher Schwing- oder Drehspiegel muß jedoch mit einer z. B. als Sensoreinrichtungen verwendeten CCD-Kamera synchronisiert werden, da die CCD-Kamera einen Bildwechsel mit 50 Hz ausführt und die einzelnen Bildelemente oder CCD-Pixel des CCD-Chips als Integrator arbeiten. Verfah­ rensmäßig kann der Lichtstahl, oder allgemein die Strahlung, während eines Bildes genau zweimal über das zu vermessende Ob­ jekt geführt werden.

Bei der Entfernungsmessung durch die Triangulation wird, wie weiter oben bereits geschildert wurde, das Objekt unter einem Winkel Θ zur Sichtrichtung beleuchtet oder allgemein be­ strahlt. Aufgrund der geometrischen Anordnung läßt sich da­ durch die Höhe eines Objektpunktes messen. Die Bestrahlung, wie z. B. Beleuchtung, kann statt mit einer Lichtlinie auch punktweise erfolgen. Zur Ortsauflösung wird ein eindimensiona­ ler Detektor, wie z. B. eine CCD-Zeilenkamera, benötigt. Für die zeilenweise Höhenmessung mit einer Strahlungs- oder Licht­ linie ist ein zweidimensionaler Detektor notwendig, der bei­ spielsweise eine CCD-Matrixkamera sein kann.

Eine besondere Variante von Sensoren, die nach dem Prinzip der Triangulation arbeiten, stellt der Lichtschnittsensor dar. Bei ihm wird über eine besondere Beleuchtungsoptik eine Lichtlinie auf das zu vermessende Objekt abgebildet. Diese Lichtlinie wird dann unter dem Triangulationswinkel Θ mit Hilfe z. B. ei­ ner Kameraoptik auf den CCD-Chip abgebildet. Durch die verän­ derte Beobachtungsrichtung werden Höhenunterschiede des Ob­ jekts, oder anders ausgedrückt auf der Oberfläche des Objekts, in seitliche Verschiebungen der Lichtlinie auf z. B. dem Kame­ ratarget umgewandelt. Der geometrische Versatz beinhaltet also die Information über die Höhe. Die Höhenauflösung bzw. -genau­ igkeit wird daher um so besser, je größer man den Triangulati­ onswinkel Θ wählt. Der Triangulationswinkel Θ, der auch als Beobachtungswinkel bezeichnet ist, ist ein wichtiger Faktor für die Genauigkeit der Messungen.

Der Vorteil des Lichtschnitts gegenüber der gewöhnlichen Punkttriangulation besteht darin, daß mit einer einzigen Auf­ nahme z. B. mittels einer Kamera die Informationen über einen vollständigen Profilschnitt vorliegen. Um diesen Zeitvorteil nicht durch eine langwierige Verarbeitung des Videobildes wie­ der zunichte zu machen, kann bei dem Triangulationslicht­ schnittsensor die Auswertung in Echtzeit erfolgen. Dazu kann eine elektronische Hardware implementiert werden, die in jeder Zeile die Daten über die Intensität des Maximums- und der bei­ den Nachbarpixel zusammen mit ihren Spaltenpositionen inner­ halb eines Videozyklus extrahiert und an einen Rechner weiter­ gibt. Mit diesen drei Intensitätswerten erfolgt anschließend eine Gaußinterpolation. Für jede Zeile ist am Ende das Maximum des Lichtschnitts ermittelt. Der Profilschnitt der Objektober­ fläche ist ausgewertet.

Mit mehreren Profilschnitten kann die gesamte Objektoberfläche vermessen werden. Dazu wird das Objekt beispielsweise mit ei­ nem Motorschlitten in y-Richtung verfahren. Die Abstände der einzelnen Profilschnitte sind z. B. über eine Software-Steue­ rung frei wählbar. Eine spezielle 3D-Software kann mehrere Da­ tensätze von einem Objekt, z. B. betreffend verschiedene Seiten des Objektes, zu einem komplette Bild zusammenfügen. Auch kön­ nen damit Informationslücken, die beim Triangulationsverfahren mehr oder weniger häufig durch Abschattungen je nach dem Beob­ achtungs- oder Triangulationswinkel Θ und dem Winkel zwischen der Bestrahlung und der Objektoberfläche auftreten können, durch Kombination mehrerer Aufnahmen geschlossen werden, bei denen die vorgenannten Winkel unterschiedlich eingestellt sind, was sich beispielsweise durch Verstellen der Bestrah­ lungseinrichtungen oder der Beobachtungseinrichtungen in Kom­ bination mit den Sensoreinrichtungen bzw. des Objekts reali­ sieren läßt.

Eine CCD-Kamera erlaubt nur eine pixelquantisierte Auswertung des von der Objektoberfläche erhaltenen Signals. Um eine bes­ sere Genauigkeit zu erhalten, kann die Lage des Spot- bzw. Li­ nienmaximums bezogen auf die Intensität durch Subpixel-Inter­ polation ermittelt werden. Als vorteilhaft hat es sich erwie­ sen, die Intensitätsverteilung durch eine Gaußkurve anzunä­ hern. Durch diese Vorgehensweise kann mit dem Triangulations­ sensor eine bis zu 20-fache Subpixelauflösung in z-Richtung (vertikaler Richtung) erreicht werden.

Des weiteren ist die Realisierung der Scheimpflugbedingung un­ erläßlich für den professionellen Einsatz eines Triangulati­ onsverfahrens. Wird beispielsweise der CCD-Chip als Bestand­ teil der Sensoreinrichtungen entsprechend dieser weiter oben genau angegebenen Bedingung eingestellt, so wird jeder Punkt der Objektebene scharf abgebildet. Der sich jedoch ändernde Abbildungsmaßstab bei der Scheimpflug-Bedingung bringt einige Nachteile mit sich. Es können entweder nur kleine Abstände von der optischen Achse auf dem CCD-Chip ausgewertet werden, oder jeder Punkt in der Bildebene muß korrigiert werden. Dieses Problem wird mit der insbesondere doppelten Telezentrie ge­ löst. Um die obige Forderung für den Triangulationssensor zu erfüllen, wird vorzugsweise die bildseitige und die objektsei­ tige Telezentrie kombiniert. Durch den Verlauf des Haupt­ strahls wird das Maximum des Bildpunkts immer im gleichen Ab­ stand zur optischen Achse liegen. Eine Veränderung der Lage der Bildebene wird damit keinen Einfluß auf die Lage des Bild­ punktes ausüben. Weiterhin werden die Objektpunkte bei einer Verschiebung in Richtung der optischen Achse immer an die gleiche Stelle der Bildebene abgebildet. Hierin sind die ent­ scheidenden Vorteile für die Eichung des Sensors zu sehen, da die Linearität der Abbildung gewährleistet ist.

Als Meßobjekte kommen z. B. Zähne in Frage, die eine maximale Größe von etwa 2 × 2 × 2 ccm haben, wobei mit der Oberflä­ chenerfassungseinrichtung und dem Verfahren zum Erfassen einer Objektoberfläche auch möglich ist, größere Objekte zu vermes­ sen, für die hier lediglich exemplarisch Kiefermodell aus Gips angegeben werden, wobei damit jedoch nicht die Obergrenze der erfaßbaren Objekte eingegrenzt sein soll.

Damit keine Verwechslungen bezüglich der einzelnen Richtungen auftreten, wird hier eine tabellarische Zusammenstellung gege­ ben:

Nunmehr wird auf ein erstes Ausführungsbeispiel der Oberflä­ chenerfassungseinrichtung 1 unter Bezugnahme auf die Fig. 6 näher eingegangen.

Von den Bestrahlungseinrichtungen 3, die durch ein Lasermodul mit einer Strahlaufweitungsoptik gebildet ist, wird ein Licht­ strahl 6 zur Bildung einer Lichtlinie (nicht sichtbar) in Richtung der Hauptachse 13 der Bestrahlungseinrichtungen 3 auf die Oberfläche 7 eines Objekts 2 projiziert. Diese Lichtlinie wird mittels Beobachtungseinrichtungen 9 unter der Beobach­ tungsrichtung längs deren Hauptachse 14 auf eine strahlungs­ sensitive oder lichtempfindliche Oberfläche 12 der Sensorein­ richtungen 10 als Bildebene zur Detektion abgebildet.

Die Sensoreinrichtungen 10 enthalten einen CCD-Chip 11, der auf einer Drehscheibe 18 so angeordnet ist, daß sie zusammen mit dem CCD-Chip 11 so drehbar ist, daß die die Bildebene be­ stimmende strahlungssensitive Oberfläche 12 der Sensoreinrich­ tungen 10 zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' um eine we­ nigstens annähernd in der Bildebene liegende Achse verstellbar ist. Zwar sind aus Gründen der Klarheit der hier behandelten Darstellung darin die Winkel Θ und Θ' nicht eingezeichnet, sie ergeben sich jedoch ohne weiteres aus den vorher behandelten Abbildungen. Der Vollständigkeit halber werden die Definition der und der Zusammenhang zwischen den Winkel(n) Θ und Θ' hier nochmals angegeben: der Beobachtungswinkel Θ ist der Winkel zwischen den Hauptachsen 13 und 14 der Bestrahlungseinrichtun­ gen 3 und der Beobachtungseinrichtungen 9, der Detektionswin­ kel Θ' ist der Winkel zwischen der Hauptachse 14 der Beobach­ tungseinrichtungen 9 und der Bildebene auf den Sensoreinrich­ tungen 10, und es gilt tan Θ' = 1/β tan Θ, wobei β der für je­ den Punkt der Objektoberfläche 7 konstante Abbildungsmaßstab der Beobachtungseinrichtungen 9 ist.

Zum Zwecke der Verstellung der Drehscheibe 18 ist diese in ei­ nem Gehäuse 19 geeignet drehbar gelagert, das zum Einbringen der Drehscheibe 18 eine Aufnahmeöffnung 20 aufweist. Ein in der Fig. 6 nicht dargestellter Deckel ist zum Verschließen der Aufnahmeöffnung 20 des Gehäuses 19 vorgesehen, so daß letzte­ res im wesentlichen lichtdicht ist. Das Gehäuse 19 enthält dann als einzige verbliebene Öffnung eine Gehäuseöffnung 21 zum Durchlassen der mittels der Beobachtungseinrichtungen 9 von der zu erfassenden Objektoberfläche 7 kommenden Strahlung 22 zur strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrich­ tungen 10. Unter der Angabe "lichtdicht" oder allgemeiner "strahlungsdicht" ist daher zu verstehen, daß zwar von der zu erfassenden Objektoberfläche 7 kommende Strahlung 22 durch die Gehäuseöffnung 21 in das Gehäuse 19 eindringen kann, was auch erforderlich ist, damit sie von der strahlungssensitiven Ober­ fläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 detektiert werden kann, aber aus anderen Richtungen auf die strahlungssensitive Ober­ fläche 12 der Sensoreinrichtungen 66266 00070 552 001000280000000200012000285916615500040 0002019721688 00004 6614710 hin gerichtete Strahlung, bei der es sich dann jeweils um Störstrahlung z. B. durch uner­ wünschte Reflexe innerhalb der Oberflächenerfassungseinrich­ tung 1 oder durch Fremdlicht innerhalb oder von außerhalb der Oberflächenerfassungseinrichtung 1 handelt, zumindest weitge­ hend abgeschirmt wird.

Die Anordnung des CCD-Chips 11 mit der strahlungssensitiven Oberfläche 12 auf der Drehscheibe 18 ermöglicht eine einer­ seits genaue Justierung des CCD-Chips 11, so die Drehachse der Drehscheibe 18 möglichst genau in der strahlungssensitiven Oberfläche 12 des CCD-Chips 11 liegt, wie es vorgesehen ist. Andererseits ist die Lagerung des CCD-Chips 11 auf der Dreh­ scheibe von Vorteil, da letztere insbesondere in oder mit dem Gehäuse 19 lagemäßig im Raum einfach und exakt justiert werden kann und ihre Lage im Raum auch bei einer Drehverstellung sehr gut beibehält. Damit ist sichergestellt, daß der Detektions­ winkel Θ' zwischen der Hauptachse 14 der Beobachtungseinrich­ tungen 9 und der Bildebene auf den Sensoreinrichtungen 10 ge­ nau eingestellt werden kann und seine Einstellung auch zuver­ lässig beibehält.

Weiter sind in der Fig. 6 Beobachtungseinrichtungen 9 gezeigt, die zwei optische Glieder 15 und 16 in Form von Linsen oder Linsensystemen sowie eine Blende 17 enthalten. Für die Linsen oder Linsensysteme der beiden optischen Glieder 15 und 16, die die Brennweiten f₁ bzw. f₂ haben, gilt, daß die zwei Linsen oder Linsensysteme im Abstand f₁+f₂ (±10%) angebracht sind und sich die Blende 17, die den Strahlengang der Strahlung 22 be­ grenzt, im Abstand f₁ (±10%) von der ersten Linse bzw. dem er­ sten Linsensystem und im Abstand f₂ (±10%) von der zweiten Lin­ se bzw. dem zweiten Linsensystem befindet, und daß die Haupt­ achse 14 der im vorliegenden Fall eine Beobachtungsoptik dar­ stellenden Beobachtungseinrichtungen 9, die mit der die Hauptachse 13 der Bestrahlungseinrichtungen 3 enthaltenden Ob­ jektebene den Beobachtungs- oder Triangulationswinkel Θ ein­ schließt, mit der auf der strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 bestimmten oder darin liegenden Bildebene den Betrag des Detektionswinkels Θ' (±10%) entspre­ chend der Beziehung: tan Θ' = f₁/f tan Θ einschließt.

Entsprechend der Darstellung in der Fig. 6 ist das zweite op­ tische Glied 16, das zwischen der Blende 17 und den Sensorein­ richtungen 10 angeordnet ist, in der Gehäuseöffnung 21 des Ge­ häuses 19 liegt und diese Gehäuseöffnung 21 weitgehend ver­ schließt. Gegenüber dieser Anordnung ist bei dem in der Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehen, daß die Beobach­ tungseinrichtungen 9 eine Halterung 23 enthalten, mittels der sie durch eine flanschartige Ausgestaltung der Halterung 23 so an dem Gehäuse 19 der Sensoreinrichtungen 10 angebracht sind, daß die Gehäuseöffnung 21 damit vollständig verschlossen ist. Da die Halterung 23, die auch als Objektivgehäuse der Beobach­ tungseinrichtungen 9 ausgebildet sein kann, ferner wenigstens über eine vorgebbare Strecke rohrartig in Richtung der Hauptachse 14 der Beobachtungseinrichtungen 9 von dem Gehäuse 19 weg verläuft, wird dadurch das Eindringen von Störstrahlung in das im übrigen vollständig abgeschlossene Gehäuse 19 und somit das Auftreffen von Störstrahlung auf die strahlungssen­ sitive Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 zuverlässig verhindert. Im übrigen stimmt die Ausführungsvariante nach der Fig. 7 mit der in der Fig. 6 gezeigten überein, so daß sich eine Beschreibung der übrigen Komponenten und Anordnungen hier erübrigt.

In der Fig. 7 ist ferner durch den Doppelpfeil B die Drehver­ stellmöglichkeit der strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 angedeutet. Die Achse dieser Drehver­ stellmöglichkeit verläuft senkrecht zur Blattoberfläche durch den Schnittpunkt der Hauptachse 14 der Beobachtungseinrichtun­ gen 9 mit der Hilfslinie C, wobei dieser Schnittpunkt iden­ tisch mit dem Mittelpunkt der Drehscheibe 18 ist. Diese besag­ te Achse verläuft somit senkrecht zur Hauptachse oder opti­ schen Achse 14 der Beobachtungseinrichtungen 9.

Deutlich ist in der Fig. 7 auch die strahlungssensitive Ober­ fläche oder lichtempfindliche Ebene 12 der Sensoreinrichtungen 9 dargestellt, die in dem entsprechenden CCD-Chip 11, der ein Flächensensor ist, ausgebildet ist.

Eine schematisch perspektivische Illustration einer dritten Ausführung der Oberflächenerfassungseinrichtung 1 ist in der Fig. 8 veranschaulicht. Diese Ausführung stimmt dem Prinzip nach mit der Ausnahme, daß der Beobachtungs- oder Triangulati­ onswinkel Θ und der Detektionswinkel Θ' nicht in derselben Ebene liegen, mit der Ausführung gemäß Fig. 6 überein, so daß eine Beschreibung von den genannten Unterschied nicht betref­ fenden anderen Einzelheiten hier weggelassen wird.

Dadurch, daß der Beobachtungs- oder Triangulationswinkel Θ und der Detektionswinkel Θ' nicht in derselben Ebene liegen (müs­ sen), kann eine platzoptimierte Anordnung gewählt werden, ohne daß die Meßergebnisse und die Meßgenauigkeit darunter leiden.

Bei der vorstehend beschriebenen dritten Ausführungen der Be­ obachtungseinrichtungen 9 nach Fig. 8 enthalten die Beobach­ tungseinrichtungen 9 eine allgemein auch als Objektiv zu be­ zeichnende optische Anordnung, die aus den (mindestens) zwei räumlich voneinander getrennten optischen Gliedern 15 und 16 besteht, zwischen denen die Telezenter-Blende 17 so angeordnet ist, daß der Strahlengang der Strahlung 22 sowohl objektsei­ tig, als auch bildseitig telezentrisch ist. Die optische An­ ordnung hat ferner für eine außerhalb der optischen Anordnung befindliche reelle Objektposition eine auf der anderen Seite der optischen Anordnung befindliche reelle Bildposition, so daß sich ein Abbildungsmaßstab β für senkrecht zur optischen Achse (Hauptachse 14 der Beobachtungseinrichtungen 9) liegende Objekte und Bilder ergibt.

Als Weiterbildung der bisher verwendeten Bestrahlungseinrich­ tungen 3 kann bei jeder der hier behandelten Ausführungen ein dimmbares Lasermodul als Strahlungsquelle verwendet werden, wie es beispielsweise in der Fig. 8 angedeutet sein soll.

Die Fig. 9a und 9b betreffen die Beobachtungseinrichtungen 9 eines vierten Ausführungsbeispiels der Oberflächenerfassungs­ einrichtung 1, wobei deren übrige Komponenten und deren Anord­ nungen entsprechend jeder anderen Ausführung gewählt sein kön­ nen und daher hier aus Vereinfachungs- und Klarheitsgründen nicht dargestellt sind.

Die Beobachtungseinrichtungen 9 des vierten Ausführungsbei­ spiels der Oberflächenerfassungseinrichtung 1 enthalten in Weiterbildung insbesondere der dritten Ausführung gemäß Fig. 8 neben der Blende 17 drei räumlich voneinander getrennte opti­ sche Glieder 15, 16 und 24, die jeweils positive Brechkraft haben. Die Fig. 9a zeigt die Anordnung, wie sie in der Ober­ flächenerfassungseinrichtung 1 eingestellt ist, und die Fig. 9b ist eine reine Prinzipdarstellung. Der angegebene Maßstab gilt für beide Figuren.

Das mittlere optische Glied 24 steht in der Nähe der Blende 17 und trägt im wesentlichen zur reellen Abbildung des Objektes 2, oder genauer dessen Oberfläche 7, auf die strahlungssensi­ tive Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 bei. Die äußeren optischen Glieder 15 und 16 stehen in der Nähe des Objektes 2/dessen Oberfläche 7 bzw. des Bildes/der strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 und bilden die Blende 17 jeweils nach unendlich ab. Damit sorgen die äußeren opti­ schen Glieder 15 und 16 der Beobachtungseinrichtungen 9 für die Telezentrie, wobei der Abstand des ersten objektseitigen optischen Gliedes 15 von der Blende 17 größer als der Abstand dieses ersten optischen Gliedes 15 vom Objekt 2 oder genauer dessen Oberfläche 7 ist, und der Abstand des letzten bildsei­ tigen optischen Gliedes 16 von der Blende 17 größer als der Abstand dieses letzten optischen Gliedes 16 vom Bild, d. h. von der strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 ist.

Die einzelnen Brennweiten bei der gezeigten Ausführung sind: f' = 172 für das erste objektseitige optische Glied 15, f' = 86 für das zweite blendennahe optische Glied 24 und f' = 47,5 für das dritte oder letzte bildnahe optische Glied 16. Bezogen auf die Darstellung der Fig. 9b sind bei dem Aus­ führungsbeispiel folgende Abstände eingestellt: 80 mm von der Oberfläche 7 des Objekts 2 zum ersten objektseitigen optischen Glied 15, 161 mm vom ersten objektseitigen optischen Glied 15 zum zweiten blendennahen optischen Glied 24, 52 mm vom zweiten blendennahen optischen Glied 24 zum dritten und letzten bild­ nahen optischen Glied 16, und 25 mm vom dritten bildnahen op­ tischen Glied 16 zur strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen.

Die Fig. 10 stellt eine Schemazeichnung einer Anordnung der Beobachtungseinrichtungen 9 einer fünften Ausführung der Ober­ flächenerfassungseinrichtung 1 dar. Dabei handelt es sich um eine weitere Alternative hinsichtlich der Ausgestaltung der Beobachtungseinrichtungen 9, und alle übrigen Komponenten und deren Anordnungen könne im Rahmen der Erfindung jede beliebige Gestaltung haben, so daß sie hier nicht beschrieben werden.

Wie in der Fig. 10 zu sehen ist, enthalten diese Beobachtungs­ einrichtungen 9 außer der Blende 17 noch vier räumlich vonein­ ander getrennte optische Glieder 15, 16, 24 und 25, die je­ weils wieder aus Linsen oder Linsensystemen bestehen können.

In der Fig. 11 ist eine Anordnungsskizze der Bestrahlungsein­ richtungen 3 einer sechsten Ausführung der Oberflächenerfas­ sungseinrichtung 1 gezeigt. Diese Bestrahlungseinrichtungen 3 enthalten ein Lasermodul 26 mit einer Laserdiode 27 als Strah­ lungsquelle 28, eine Kollimatoroptik 29 und eine Zylinderlinse 30 zur Lichtlinienerzeugung. Diese Strahlungsquelle 28 ist, wie auch das im Zusammenhang mit der Fig. 8 exemplarisch ange­ gebene Lasermodul dimmbar, damit die auf die strahlungssensi­ tive Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 9 in Abhängigkeit von den Reflexionsbedingungen auf der Oberfläche 7 des Objekts 2 auf den Arbeitsbereich des z. B. vorgesehenen CCD-Chips ein­ gestellt werden kann. Beispielsweise kann dies auch durch ei­ nen Regelkreis (nicht dargestellt) geschehen, mit dem die Strahlungsquellenleistung automatisch in Abhängigkeit von der seitens der Sensoreinrichtungen 9 gewonnenen maximalen Signal­ intensität eingestellt wird, was optimalerweise, aber nicht zwingend vor jedem Erfassungsdurchgang durchgeführt werden kann. Ferner wird lediglich beispielhaft bei dieser Ausführung auf eine Einstellmöglichkeit des Fokus der Optik der Bestrah­ lungseinrichtungen 3 hingewiesen, indem im vorliegenden Fall das Lasermodul 26 gegenüber der Kollimatoroptik 29 längs der Hauptachse 13 der Bestrahlungseinrichtungen 3 verstellbar ist. Weiterhin ist die Kombination aus der Strahlungsquelle 28 und den Optikteilen Kollimatoroptik 29 und Zylinderlinse 30, d. h. die komplette Einheit der Bestrahlungseinrichtungen 3 längs der Hauptachse 13 der Bestrahlungseinrichtungen 3 bezüglich der Objektoberfläche 7 verstellbar.

Einige der Freiheitsgrade in der Oberflächenerfassungseinrich­ tung 1 sind in der Fig. 12 durch sich selbst erklärende Dop­ pelpfeile dargestellt und werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 14 bis 17 im einzelnen näher behandelt, wobei auch im Zusammenhang mit bereits oben erläuterten Ausführungen Einstellmöglichkeiten für solche Freiheitsgrade angegeben sind. Die Beobachtungseinrichtungen 9 sind in der Fig. 12 le­ diglich zur Vereinfachung und Übersichtlichkeit der Darstel­ lung weggelassen worden.

Wie bereits weiter oben allgemein beschrieben wurde, erfordert das Triangulationslichtschnittverfahren eine Relativbewegung zwischen Objekt 2 und Kamera- bzw. Beleuchtungseinheit, d. h. Bestrahlungs- und Beobachtungseinrichtungen 3 und 9. Wegen der Schwingungsempfindlichkeit der Optiken wird diese Translations­ bewegung, die auch als Motor-Shift bezeichnet werden kann, vorteilhafterweise auf das zu vermessende Objekt 2 verlagert.

Folgende Kriterien sollten bevorzugt bei der Translationsbewe­ gung berücksichtigt werden:

• - rechnergesteuertes Übernehmen der Motor-Shift-Koordinaten
• - schnelles Positionieren auf kurze Strecken
• - schwingungsfrei
• - geringerer Steuerungsaufwand
• - kostengünstig.

Mit diesen Maßgabe stehen folgende Systeme zur Auswahl:

• 1. Schrittmotor mit offenem Regelkreis
• 2. Schrittmotor mit geschlossenem Regelkreis
• 3. Servomotor mit geschlossenem Regelkreis.

Servomotoren weisen den höchsten Regelaufwand auf und die Po­ sitionierungsvorgänge sind in den Bereichen von ca. 6,25 µm 30 µm langsamer als Schrittmotoren.

Bei den verwirklichten Ausführungen wurde eine Linearverfahr­ einheit mit einer Verfahrweite von 350 mm und einer Spindel­ steigung von 2,5 mm verwendet. Der Schrittmotor besitzt 400 Schritte pro Umdrehung, woraus sich eine Auflösung von 6,25 µm ergibt. Diese Schrittweite ist für die meisten Anwendungen ausreichend, da die Auswertung der CCD-Kamera bei den verwen­ deten Linsenkombinationen keine höhere Auflösung erreicht. Dieser Schrittmotor besitzt einen offenen Regelkreis, d. h. es erfolgt keine Rückmeldung über die genaue Position des Schlit­ tens. In der Praxis wurden mehrere solcher Lineareinheiten eingesetzt, die über eine begrenzte Anzahl von Schritten (ca. 1000-2000) keine Fehler aufwiesen.

Für die Montage der Komponenten Bestrahlungseinrichtungen 3, Objekt 2 und Beobachtungseinrichtungen 9 ist ein Portalaufbau 31 bevorzugt, der optimalerweise folgende Kriterien erfüllt:

• - schwingungsstabil
• - Baukastensystem
• - evtl. leicht modifizierbar
• - zur Aufnahme verschiedener Einheiten geeignet
• - Realisierung von verschiedenen horizontalen und vertikalen Bewegungen.

Dazu wurden verschiedene Realisierungen eingesetzt.

Ein Portalaufbau 31 mit zwei vertikalen Profilträgern 32 für die Befestigung eines horizontalen Aufnahmeträgers 33 ist in Darstellungen I), II), und III) der Fig. 13a in einer Vorder­ ansicht, einer Seitenansicht bzw. einer Draufsicht gezeigt. Dieser Portalaufbau 31 hat die Vorteile eines einfachen Auf­ baus und einer günstigen Modifizierbarkeit.

In der Fig. 13b ist eine komplette Säulenführung 34 mit Höhen­ verstellung 35 in Darstellungen I), II), und III) in einer Vorderansicht, einer Seitenansicht bzw. einer Draufsicht ge­ zeigt. Dabei wird ein Montage- oder Aufnahmeträger 33 an der Höhenverstellung 35 montiert. Die Säule 34 wird auf eine sepa­ rate Platte (nicht gezeigt) oder an den Schrittmotor 36' mon­ tiert. Diese Ausführung hat den wesentlichen Vorteil, daß eine Höhenverstellung eingebaut ist.

Als weitere Alternative gibt es z. B. einen Portalaufbau 31 mit einem vertikalen Profilträger 32. Eine Vorderansicht, eine Seitenansicht und eine Draufsicht sind in den Darstellungen I), II), bzw. III) der Fig. 13c gezeigt. Der Aufbau ist weit­ gehend identisch mit dem der in der Fig. 13a gezeigten Ausfüh­ rung, wobei aber statt zwei vertikalen Profilträgern 32 nur ein solcher Profilträger 32 vorhanden ist. Zu den bereits im Zusammenhang mit der Ausführung nach Fig. 13a ergibt sich hier als weiterer Vorteil eine noch einfachere und kostengünstigere Herstellung, so daß diese Bauart besonders bevorzugt ist.

Soll ein größeres Objekt vermessen werden, so kann der Quer­ träger mittels entsprechender Klemmteile (nicht dargestellt) vertikal verstellt oder erweitert werden.

Die Fig. 14 befassen sich mit linearen Verstellmöglichkeiten der Sensoreinrichtungen 10 zur Feineinstellung des Abstandes der letzteren von den Beobachtungseinrichtungen 9, die zusam­ men mit den Sensoreinrichtungen 10 linear gegenüber der Objek­ toberfläche 7 verstellbar sind. Diese Verstellmöglichkeiten sind in Richtung der Hauptachse 14 der Beobachtungseinrichtun­ gen 9 ausgelegt. Die Kombination aus den Beobachtungseinrich­ tungen 9 und den Sensoreinrichtungen 10 wird nachfolgend als Optikeinheit 36 bezeichnet. Die Sensoreinrichtungen 10 müssen dabei nicht vollumfänglich der Optikeinheit 36 zugerechnet sein, sondern es genügt, wenn z. B. von einer zu den Sensorein­ richtungen 10 gehörenden CCD-Kamera 37 (siehe Fig. 16) der ab­ gesetzte Kopf 38 Teil der Optikeinheit 36 ist. Der abgesetzte Kamerakopf 38 der CCD-Kamera enthält den eigentlichen CCD-Chip 11, der gemäß einer Ausführungsform in einem CCD- oder Kopfge­ häuse 39 untergebracht ist.

Um eine gute Abbildungsqualität bzw. die genaue Gegenstands­ weite des Lichtschnittes auf der strahlungssensitiven Oberflä­ che 12 des CCD-Chips 11 zu erreichen, muß der komplette Lin­ senaufbau der Beobachtungseinrichtungen 9 in Richtung deren optischer Achse (Hauptachse 14) beweglich gestaltet werden. Um nach dem Drehen des CCD-Chips 11 um den Triangulationswinkel Θ' noch ein scharfes Bild zu erhalten, wird eine Einstellmög­ lichkeit für die Bildebene auf der strahlungssensitiven Ober­ fläche 12 auf der angebracht. Da der Abbildungsfaktor β für die meisten Anwendungsfälle kleiner als 1 ist, ist es sinnvoll, die Verstellmöglichkeit in eine Grobverstellung für die Ob­ jektebene (Pfeil D) und eine Feinverstellung für die Bildebene (Pfeil E) einzuteilen. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn für andere Linsenkombinationen noch eine Anpassungsmöglichkeit be­ steht.

Als vorteilhaft erwiesen haben sich für die Feinverstellung ±7 mm mit einer Genauigkeit von ca. 2-3 µm und für die für die Grobverstellung ±50 mm mit einer Genauigkeit ca. 2-3 mm.

Verschiedene Prinziplösungen sind in den Fig. 14 und 15 darge­ stellt.

Für die Feinverstellung ist z. B. ein in der Fig. 14a gezeigter Keilvorschub verwendbar. Dabei ergibt sich je nach Winkel des Keiles 40 eine entsprechende Untersetzung, mittels der eine hohe Genauigkeit und Feinfühligkeit der Einstellbarkeit erhal­ ten werden können.

Eine weitere Möglichkeit für die Feinverstellung bietet eine Exzenterverstellung, wie sie in der Fig. 14b schematisch dar­ gestellt ist. Das CCD-Gehäuse 39 wird mit einer Exzenterschei­ be 41, die drehbar gelagert ist, verstellt. Bei dieser Ausfüh­ rung wird insbesondere eine schnelle Verstellung und ein gro­ ßer Verstellweg erreicht.

Als weitere Möglichkeit zur Realisierung der Feinverstellung ist in der Fig. 14c ein Lineartisch 42 mit einem Schraubenge­ triebe 43 gezeigt. Die hiermit erzielbaren Vorteile sind ein großer Verstellbereich, eine gute Führung und eine feinfühlige Einstellmöglichkeit.

Bei den in der Fig. 15 behandelten Grobverstellungen ist je­ weils die Feinverstellung nach der Fig. 14c in die Optikein­ heit 36 integriert.

Eine erste Variante ist ein Zahnstangenantrieb 44, der bei der Version nach der Fig. 15a vorgesehen ist. Dabei ist die kom­ plette Optikeinheit 36 mit dem Lineartisch 42 und der Optik der Beobachtungseinrichtungen 9 in der Richtung der optischen Achse (Hauptachse 14) mittels des Zahnstangenantriebes 44 be­ weglich gestaltet, um die Objektebene einstellen zu können (Pfeil D). Der wesentliche Vorteil dieser Bauform ist der er­ zielbare großer Verstellweg.

Bei der Variante nach der Fig. 15c wird ein Zahnriemenantrieb 45 verwendet. Die Optikeinheit 36 wird in Richtung der opti­ schen Achse (Hauptachse 14) mittels des Zahnriemenantriebes 45 verschoben. Die Umlenkrollen 46 für den Zahnriemen 47 und der Zahnriemen 47 sind Standardteile. Die Verstellung erfolgt durch Drehen einer der beiden Umlenkrollen 46. Als Vorteile ergeben sich ein großer Verstellbereich und geringe Kosten.

Eine weitere Möglichkeit für die Grobverstellung besteht in einem Schraubentrieb 48. Dabei wird mit einer Spindel 49 und einer Mutter 50, die an einem Linearschlitten 51 angebracht ist, die Längsverstellung vorgenommen. Ein großer Verstellbe­ reich und eine durch die Spindelsteigung variable Übersetzung sind die wesentlichen Vorteile dieser Ausführung.

Ein Dreheinrichtung mit innerer zentrischer Klemmung 52 für die Drehverstellung der strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10, so daß die die Bildebene bestimmende strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' um eine wenigstens annähernd in der Bildebene liegende Achse verstellbar ist, ist in der Fig. 16 in der Darstellung I) in einer Vorderansicht und in der Darstellung II) in einer Seitenansicht gezeigt. Bei dieser Lösung wird das CCD-Gehäuse 39 auf eine Dreheinrichtung 53 mit einer Drehscheibe 18 montiert. Dabei ist die Mitte des CCD-Chips genau im Drehpunkt. Vorteilhaft ist an dieser Aus­ führung eine feinfühlige Einstellmöglichkeit und eine genaue Justierung. Wesentlich bei allen Lösungen für die Einstellung des Detektionswinkels Θ' ist, daß die Drehung der strahlungs­ sensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 in der Ebene der strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensorein­ richtungen 10 und bevorzugt in der Mitte der strahlungssensi­ tiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 erfolgt, da sonst eine völlige Neujustierung der optischen Achse (Hauptachsen 14 und 13) nötig wäre.

Einer der wichtigsten Parameter bei dem Meßverfahren ist der Triangulationswinkel Θ selbst. Er bestimmt unter anderem die Höhenauflösung und somit die Genauigkeit der Messungen. Der Triangulationswinkel Θ soll von 10° bis 40° variabel einstell­ bar sein. Bei einem Abbildungsmaßstab von minimal ca. 0.5 und einem Triangulationswinkel Θ von 10° bis 40° erhält man nach der Gleichung tan Θ' = 1/β tan Θ eine maximale Neigung der strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 um einen Winkel Θ' von 19°. Diese starke Neigung muß bei der Konstruktion berücksichtigt werden.

Eine drehbar gelagerte Montageplatte 54, auf der das optische System der Bestrahlungseinrichtungen 3 montiert ist, ist in der Fig. 17a gezeigt und kann gedreht werden. Nach einer Dre­ hung muß diese Platte 54 noch waagrecht verschoben werden, da­ mit der Schnittpunkt der optischen Achsen (Hauptachsen 14 und 13) in der projizierten Linie 5 übereinstimmt. Diese Version zeichnet sich durch einen besonders einfachen Aufbau aus.

Eine alternative Einstellmöglichkeit für den Triangulations­ winkel Θ enthält ein bewegliches Gestänge 55, wie in der Fig. 17b gezeigt ist. Dabei wird mittels des drehbar gelagerten Ge­ stänges 55 wird die Winkeländerung des Triangulationswinkels Θ vorgenommen. Der wesentliche Vorteil dieser Bauform liegt dar­ in, daß der Drehpunkt zuverlässig im Schnittpunkt der opti­ schen Achsen (Hauptachsen 14 und 13) der Bestrahlungseinrich­ tungen 3 und der Beleuchtungseinrichtungen 9 mit Sensorein­ richtungen 10 liegt.

Eine besonders stabile und genaue Variante der Einstellmög­ lichkeit für den Triangulationswinkel Θ enthält eine Montage­ platte 56 mit teilkreisförmigen Führungs- und Montageschlitzen 57' zur Anbringung und geführten Verschiebung der Beleuch­ tungseinrichtungen 9 mit Sensoreinrichtungen 10 längs der Bo­ genform der teilkreisförmigen Führungs- und Montageschlitze 57'. Zur Herstellung wird in eine Montageplatte 56 eine Teil­ kreisbahn oder zwei konzentrische Teilkreisbahnen gefräst. Die Bahn(en) ermöglicht/-en die Drehung der Beleuchtungseinrich­ tungen 9 mit Sensoreinrichtungen 10 um den Schnittpunkt deren Hauptachse 14 mit der Hauptachse 13 der Bestrahlungseinrich­ tungen 3. Diese bevorzugte Ausführung weist eine einfache und genaue Verstellmöglichkeit und eine hohe Flexibilität auf.

Nachfolgend wird nochmals auf die Erzeugung einer Lichtlinie 5 auf der Objektoberfläche 7 eingegangen.

Viele Laseranwendungen wie Barcodescanner, die eine Lichtlinie benötigen, erzeugen diese durch einen z. B. in den Fig. 1 und in der Fig. 18 gezeigten Schwingspiegel 57 oder einen Dreh­ spiegel, der in den Strahlformungsgang eingebracht wird. Der Hauptvorteil eines Schwing- oder Drehspiegels 57 liegt in der Homogenität der erzeugten Linie. Ist der Drehwinkel eines Schwingspiegels 57 oder der Segmentwinkel eines Drehspiegels hinreichend klein, so wird der fokussierte Lichtstrahl immer die gleiche Dicke und Intensitätsverteilung entlang der proji­ zierten Linie besitzen.

Alternativ kann z. B. eine Zylinderlinse 30 (siehe Fig. 11) zur Linienerzeugung eingesetzt werden. Da ein Laserstrahl mit run­ dem Querschnitt auf die Zylinderlinse trifft, ist an den Enden der Lichtlinie die Intensität geringer. Diese Einschränkung ist aber für die Oberflächenerfassungseinrichtung 1 unerheb­ lich, da immer das Maximum des Strichs ausgewertet wird, und die Maxima an der gleichen Stelle bleiben, ungeachtet ob der Strahl dick oder dünn ist.

Die Beleuchtungseinrichtungen 3 können z. B. eine Laserdiode 27 mit beispielsweise 680 nm, ein Linsensystem 58 und einen syn­ chronisierten Schwingspiegel 57 mit 50 Hz enthalten. Als Lin­ sensystem kann beispielsweise eine Kolimatorlinse 30 mit 60 mm Brennweite, eine Blende 59 mit einer Öffnung von 1,5 mm und eine Fokussierungslinse 60 mit 250 mm Brennweite verwendet werden, wie in der Fig. 18 gezeigt ist. Die numerische Apertur dieses Systems beträgt 0,006. Die Breite des Strahls auf dem Objekt 2 ist entscheidend für die Auflösung des Sensors. Ist die Lichtlinie z. B. 40 µm breit, können kleinere Strukturen nicht mehr erfaßt werden. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Beleuchtungseinrichtungen 3 in Modulbauweise konzi­ piert sind, d. h. verschiedene Komponenten wie Blende 59, Fo­ kussierungslinse 60 etc. ausgetauscht und verändert werden können. Die Anordnung nach Fig. 18 enthält ferner einen Um­ lenkspiegel 61.

Mit dem Triangulationslichtschnittsensor lassen sich sowohl in vertikaler als auch in lateraler Richtung Genauigkeiten bis in den Mikrometerbereich hinein erzielen. So liegt z. B. die Re­ produzierbarkeit der Messungen bei unter 2 µn. Über den absolu­ ter Wert dieser Strecken konnte allerdings bis jetzt keine Aussagen gemacht werden. Gerade dies ist aber Voraussetzung für den praktischen Einsatz eines Sensors, der für Meßaufgaben konzipiert ist. Schließlich will man aus den aufgenommen Daten paßgenaue Stücke fräsen, Werkstücke nach ihrer Größe sortie­ ren, Objekte vergleichen etc. Für jede Aufgabe des Sensors be­ darf es daher einer sorgfältigen Eichung, um die entsprechen­ den Bestimmungsstrecken eindeutig vermessen zu können. Durch das Prinzip des Lasertriangulationslichtschnittsensors können alle abgetasteten Punkte nur in einer einzigen Ebene liegen, die wiederum auf die Ebene des CCD-Chips projiziert wird. Die Eichung des Sensors reduziert sich damit zu einem zweidimen­ sionalen Problem. Bedingt durch Aberrationen werden Verzerrun­ gen und Verzeichnungen auftreten, die die Eichung beträchtlich erschweren. Im folgenden sollen Möglichkeiten zur Eichung an­ gegeben werden, die den unterschiedlichen Anforderungen an Ge­ nauigkeit genügen.

Bei einer einfachen Kalibrierung werden die Punkte einer ein­ deutig festgelegten Objektebene durch das Abbildungssystem der Beobachtungseinrichtungen 9 in die Bildebene auf der strah­ lungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 pro­ jiziert. Für eine einfache Meßgenauigkeit ist es ausreichend ein Stufenendmaß 62 mit einem Lichtschnitt zu scannen, wie dies in der Fig. 19a verdeutlicht ist.

Diese einfach Methode bringt jedoch nur für die Y' bzw. Z- Richtung eine hohe Genauigkeit, da in der Zeilenrichtung, je­ doch nicht in der Spaltenrichtung, des CCD-Chips 11 eine Sub­ pixel-Interpolation durchgeführt werden kann. Die Pixelabstän­ de bei einer exemplarischen Anordnung betragen 11 µm, was bei einem Abbildungsmaßstab β von 0.4 im Objektraum fast ±28 µm be­ deutet. Diese Ungenauigkeit kann durch einen Mittelwert von mehreren Schnitten verringert werden.

Eine genauere Kalibrierung gestattet die Verwendung eines Mehrstufenendmaßes 63, wie es in der Fig. 19b veranschaulicht ist. Um eine höhere Genauigkeit auch in der lateralen Richtung zu erzielen wurde ein Mehrstufenendmaß 63 konstruiert, welches mehrere Treppenstufen aufweist, deren Kantenpositionen 64 die Werte (X', Y') liefern.

Durch Mittelwertbildung der einzelnen Stufenabstände wird eine wesentlich höhere Genauigkeit als mit einem Stufenendmaß 62 erzielt, wie es in der Fig. 19a gezeigt ist. Des weiteren kann die Tiefenschärfe der Beleuchtungsoptik 58 der Bestrahlungs­ einrichtungen 3 und der Beobachtungsoptik der Beobachtungsein­ richtungen 9 auf die mittlere Stufe justiert werden. Bei Ver­ wendung einer geeigneten Software stehen Tools zu Verfügung, die die Justierung eines optimalen Arbeitspunktes erlauben.

Eine hochpräzise Eichung wird nur durchführbar sein, wenn alle Meßpunkte mit einer einzigen (Kamera-) Aufnahme erfaßt werden können. Dazu ist es notwendig, die einzelnen Punkte in festen Abständen in einer Ebene anzuordnen. Dies geschieht am Besten mit einer sogenannten "High-Resolution-Plate". Mit ihr lassen sich feine Strukturen mit sehr hoher Präzision herstellen.

Durch Belichtungsverfahren lassen sich Genauigkeiten von bis zu 1 µm erzielen. Die "High-Resolution-Plate" besteht aus einer Kreuzgitter- oder Kreuzplatte 65, wie sie beispielsweise in der Fig. 20 gezeigt ist, mit einer auf einer Glasscheibe auf­ gebrachten Metallschicht. Durch ein Ätzverfahren werden Kreuze in diese Metallschicht eingebracht. Wird diese Glasscheibe nun fremdbeleuchtet (siehe Lampe 66 in der Fig. 21a), kann mit ei­ ner Kamera oder allgemein den Sensoreinrichtungen 10 eine Auf­ nahme gemacht werden. Voraussetzung ist jedoch die genaue Ju­ stierung der Platte 65 in der Ebene der Beleuchtungs- oder Be­ strahlungseinrichtungen 3, da diese Ebene auf den CCD-Chip 11, oder genauer dessen strahlungssensitive Oberfläche 12 kali­ briert werden soll. Mit einer einzigen Aufnahme ermittelt dann eine Software von jedem Kreuz den Mittelpunkt und errechnet den Kalibrierungsfaktor in der lateralen und vertikalen Rich­ tung auf wenige µm genau.

Es stehen 6 Freiheitsgerade für die Einjustierung der Platte 65 zur Verfügung, wie in der Fig. 21a dargestellt ist. Dabei müssen nicht alle Freiheitsgeraden mit der gleichen Genauig­ keit eingeschränkt werden. Für eine Präzisionsmessung muß je­ doch die Glasplatte an den X, Y, und Z-Achsen ausgerichtet sein. Um den Justagevorgang effizient zu gestalten ist man ge­ zwungen, die Freiheitsgrade nacheinander einzuschränken, ohne dabei einen anderen Freiheitsgrad dabei wieder zu verstellen.

Gemäß einem bevorzugten Verfahren für den Justagevorgang wird die untere Kante der Kreuzplatte 65 (X-Richtung) waagerecht (Drehung um Y-Achse) ausgerichtet und die Z-Achse der Platte 65 muß leicht gegen den Laserstrahl (analog Hauptachse 13) ge­ neigt sein. Mit dem Schrittmotor 36' wird jetzt die Mitte der unteren Kante an den Laserstrahl herangefahren bis diese Kante den Laserstrahl halbiert (Fig. 21b).

Durch Drehung um die Z-Achse wird die untere rechte Kante der Glasplatte 65 mit der X-Achse zur Deckung gebracht. Die Platte 65 wird solange durch Drehung um die X-Achse aufgestellt, bis der Laserstrahl halb oben und halb an der unteren Kante sicht­ bar wird (Fig. 21c). Nun ist der Justagevorgang beendet und es kann die Softwareauswertung folgen. Damit ist es möglich, re­ lativ diese Kreuzplatte 65 einfach und genau im Strahlengang der Bestrahlungseinrichtungen 3 zu justieren.

Eine Vorrichtung 67 zum Durchführen der vorbeschriebenen Ju­ stierung der Kreuzplatte 65 ist in den Darstellungen I), II) und III) der Fig. 21d in einer Seitenansicht, einer Vorderan­ sicht bzw. einer Draufsicht gezeigt. Die notwendigen Einstell­ möglichkeiten sind durch Doppelpfeile F, G und H verdeutlicht.

Die Genauigkeit des Eichvorgangs beruht eigentlich auf der Teilung des Laserstrahles, der nur eine Breite von ca. 28-40 µm aufweist. Die Platte 65 kann maximal eine Laserstrichbreite von der Ebene der Beleuchtungseinrichtung abweichen. Bei einer Länge von ca. 35 mm wäre diese eine maximale Winkelabweichung von α= 3'55''.

In der Fig. 21c ist:
X1 der Abstand von optischer Achse (Hauptachse 13) und senkrechter Platte 65,
X2 der Abstand von optischer Achse (Hauptachse 13) und geneigter Platte 65, und
α der Neigungswinkel der Platte 65.

Daraus folgt:

x1 = a.sin Θ
x2 = a.sin (Θ + α)

Bei Θ = 40° und α = 3'55'' erhält man einen maximalen Fehler von 0,136%. Im ungünstigsten Fall bedeutet dies einen Fehler von 3,4 µm auf 2,5 mm, wenn die Kreuze diesen Abstand aufwei­ sen.

Für einfache Zwecke reicht es, wie bereits dargelegt, aus, nur ein Endmaß 62 zu scannen. Dieses Endmaß 62 erlaubt jedoch nur eine genaue Eichung in der vertikalen Richtung. Durch die Pi­ xelquantisierung entsteht in der lateralen Richtung immer die Ungenauigkeit von ±1 Pixel.

Ein Mehrstufenendmaß 63 ist sicherlich dem normalen Endmaß 62 überlegen. Es erfüllt außer der genaueren lateralen Eichung auch noch die Einstellung des Arbeitspunktes des Scanners. In Verbindung mit der Eichkreuzplatte kann eine vollständige und hochpräzise Kalibrierung durchgeführt werden.

Für die Oberflächenerfassungseinrichtung kann auch ein Gehäuse vorgesehen sein, das beispielsweise aus drei Hauptkomponenten besteht: einer Blechummantelung, einer Boden- und einer Dec­ kelplatte. Die Öffnung zum Einlegen von Prüf- oder Meßobjekten kann mit dunklen Plexiglasscheiben verschlossen werden. Bei einer Ausführung der Oberflächenerfassungseinrichtung wurden die Boden- und Deckelplatte aus einer Aluminiumlegierung ge­ fertigt und enthalten jeweils Nuten für die Aufnahme des Blechmantels. In die Bodenplatte sind Aussparungen für einen Portalaufbau eingebracht.

In den Fig. 22a und 22b ist ein Objekthalter 68 in zwei ver­ schiedenen perspektivischen Darstellungen schematisch gezeigt. Der Proben- oder Objekthalter enthält eine Linearverfahrein­ heit 69, die es ermöglicht, das Objekt (nicht dargestellt) in lateraler Richtung zu verschieben, und dem Objekthaltertisch 70, der über ein Kugelgelenk 71 beweglich mit der Linearver­ fahreinheit 69 verbunden ist. Auf dem Objekthaltertisch 70 sind drei Spannbolzen 72 vorhanden, die das Objekt halten. Diese Spannbolzen 72 können in radialer Richtung verstellt werden, zwei davon durch Drehen im bzw. gegen Uhrzeigersinn und der dritte mittels Spannen einer Spindel 73. Dadurch er­ gibt sich optimale Flexibilität zum Spannen von verschieden­ sten Objekten. Die Einheit mit dem Kugelgelenk 71 ist eben­ falls noch drehbar gelagert und hat bei 180° eine Kugelraste (nicht sichtbar) zum präzisen Drehen der Objekte, falls eine Abschattung auftreten sollte und ein weiterer Scanvorgang in einer neuen Objektstellung notwendig ist.

Für die Auswertung der mittels einer CCD-Kamera gewonnen Daten kann z. B. eine Framegrabberkarte mit (nicht gezeigt) periphe­ rer Elektronik (nicht gezeigt) verwendet werden. Die Karte kann derart ausgelegt sein, daß sie in einen freien ISA-Slot eines Computers paßt. Bei der verwendeten Framegrabberkarte handelt es sich um ein sogenanntes Overlayboard, d. h., daß das VGA-Signal des Computers über das Board geht. Auf diese Weise wird der Monitor an die Overlaykarte angeschlossen. Diese Technik ermöglicht das digitale Mischen des Videosignals mit dem des normalen Bildschirms. Auf dem Bildschirm erscheint der normale Aufbau des Computerbildes, jedoch mit einem ca. 10×10 qcm großen Ausschnitt, der das Videosignal live einblendet. Somit kann der Kontrollmonitor für die Kamera entfallen. Neben dem Anschluß des VGA-Monitors ist noch eine BNC-Buchse vorhan­ den, die das Signal der Kamera einspeist. Die Kameraversorgung beträgt 12 V. Um die Verkabelung zu verringern wird die Span­ nung dem Computernetzteil entzogen. Die Stromversorgung eines Laserdiodennetzteils erfolgt ebenfalls über den Computer, da­ durch werden zwei Netzteile eingespart.

Der CCD-Chip wird in Zeilenrichtung ausgelesen. Die Pixelin­ formationen werden mittels eines Videosignals nach CCIR-Norm übertragen. Die Intensitätsinformation einer Zeile des CCD- Chips wird somit während 52 µs übertragen. Eine Framegrabber­ karte digitalisiert daraus 512 Werte mit einer Auflösung von 8 Bit bzw. 256 Graustufen. In 40 ms wird ein komplettes Bild er­ zeugt.

Für eine Auswertung des Lichtschnittes mit Subpixelgenauigkeit benötigt man genau drei Graustufenwerte. Die Framgrabberkarte ermöglicht die Auswertung des Maximums sowie des linken und rechten Nachbarwertes mit dem auf der Karte vorhandenen Si­ gnalprozessor. Mit der Position des Maximums ergibt dies bei einem quadratischen Bild von 512 mal 512 Pixel eine Datenmenge von 2 Kilobyte pro Lichtschnitt. Würde die Auswertung des Bil­ des vollständig mit dem computereigenen Prozessor erfolgen, müßte eine Datenmenge von 256 KByte pro Lichtschnitt übertra­ gen werden. Durch den Einsatz der Framgrabberkarte konnte die Zeitdauer für einen 512 Bilder umfassenden Abtastvorgang von 5 : 30 Minuten auf bestenfalls 40 Sekunden verkürzt werden.

Bei der Framegrabberkarte handelt es sich um ein sogenanntes Overlayboard, bei dem der VGA-Anschluß des Monitors auf dem Board durchgeschleift wird. Dies ermöglicht ein direktes Kon­ trollbild auf dem VGA-Monitor und der Videokontrollschirm kann entfallen, wie bereit weiter oben erläutert wurde.

In der Fig. 23 ist das Ablaufschema des Scanverfahrens darge­ stellt, das programmgesteuert durchgeführt werden kann.

Die Aktivierung aller Hardwarekomponenten steht zu Beginn ei­ ner Messung an. Man sollte darauf achten, daß neben Kamera und Laser auch die Steuerungseinheit für den Schrittmotor einge­ schaltet ist. Der Laser darf erst nach dem Computer einge­ schaltet und muß vor dem Computer ausgeschaltet werden. Die Softstartfunktion des Lasernetzteils wird sonst unwirksam. Nach dem Start des Programms und der fehlerfreien Überprüfung der Overlay-Karte erscheint das Hauptmenü mit dem Live-Kamera­ bild. Sollte hier nur ein diagonales Graustufenbild zu sehen sein, dann empfängt die Overlay-Karte kein Kamerasignal.

Nun sollte ein ebenes Objekt so auf der Scanplattform plaziert werden, daß es möglichst vollständig auf dem Bildschirm zu se­ hen ist. Bevor ein Objekt gescant wird, ist eine Justierung und Kalibrierung des Systems notwendig. Die Vorgehensweise hierzu ist:

• 1. Mehrstufenendmaß einspannen
• 2. Intensität des Lasers ungefähr mit Laserbreitenmes­ sung einstellen
• 3. Treppenstufen-Eichung durchführen
• 4. Intensität des Lasers nachstellen
• 5. Evtl. Nr. 3 noch mal durchführen
• 6. Für hochgenaue Messungen "Kalibrierung mit Kreuzplat­ te durchführen".

Das Hauptmenü der Programmsteuerung (siehe Fig. 23) bietet ei­ ne Vielzahl von Möglichkeiten an. Neben direkter Manipulation der Scanparameter, lassen sich auch Eich- und Justierverfahren durchführen. Unter diesem Hauptmenü erscheinen im oberen Ab­ schnitt TASTENFUNKTIONEN folgende Felder zur Auswahl:

"<- -<" Mit den Cursortasten bewegt man die Probe zur Aus­ gangsposition für den ersten Lichtschnitt.

"F1" Hiermit kann man den Bereich abfahren, der abgetastet werden soll. An der Endposition angekommen, hält der Schritt­ inotor an und fährt die Probe erst auf Tastendruck wieder zu­ rück. Änderungen am Scanbereich lassen sich im unteren Ab­ schnitt EINGABE machen (siehe später).

F2 Diese Funktion dient der genauen Justierung der Licht­ linie. Man sollte sie mit einem waagrecht und ebenen justier­ ten Objekt unter der Kamera aufrufen. Es werden einige Schnit­ te durch die Linie durchgeführt und die jeweilige senkrechte Abweichung wird unter dem Kamerabild am Monitor angezeigt. Ei­ ne aufsteigende bzw. abfallende Zahlenreihe weist auf eine Schräglage der Laserlinie hin. Im angestrebten Idealfall er­ hält man eine Reihe mit Nullen.

F3 Diese erste Eichvariante erfordert ein geeichtes Kreuzgitter, das stehend auf der Scanplattform (siehe Fig. 21d) montiert ist. Anhand der Lichtkreuze, deren Abstand be­ kannt ist, kann das Programm die genaue Größe der Abbilder auf dem CCD-Chip berechnen und als Eichwerte speichern. (Vorge­ hensweise siehe Abschnitt Untermenü: Justierung XY-Skalie­ rung).

F4 Die zweite Eichvariante erfordert eine geeichte Trep­ pe, die auf der Plattform (siehe Fig. 21d) steht. Da diese Me­ thode nur die Höhenkoordinate eicht und ungenauer ist, wird das Ergebnis nur angezeigt, nicht aber als Berechnungsgrundla­ ge verwendet. Zusätzlich wird allerdings die Breite der Licht­ linie auf den einzelnen Stufen angegeben. Dadurch läßt sich die Tiefenschärfe der Kamera gut justieren. (Vorgehensweise siehe Abschnitt Untermenü: Justierung Treppe)

F5 Die Laserbreitenmessung bietet die Möglichkeit, die Helligkeitsverteilung im Querschnittsdiagramm zu betrachten. Nach dem Aufruf erscheint im Live-Bild ein farbiger Rahmen, in welchen man den interessanten Ausschnitt plaziert, um nach Ta­ stendruck den Graphen dieses Bereichs zu erhalten. (Vorgehens­ weise siehe Abschnitt Untermenü: Laserbreitenmessung)

F10 Start des Scanvorgangs: Es wird zunächst eine Abta­ stung des Objekts mit einer Speicherung auf Pixelgenauigkeit durchgeführt. Nach dem vollständigen Lauf wird durch Interpo­ lation bzw. Approximation ein Höhenbild mit Subpixel-Genauig­ keit erzeugt. Am Ende oder bei einem Abbruch durch die ESC-Ta­ ste fährt das Objekt in die Ausgangslage zurück.

Alt-X Hiermit beendet man das Programm.

Im unteren Abschnitt EINGABE des Hauptmenüs lassen sich die Scanparameter editieren:

Pos1 Nach Betätigen dieser Taste erhält man die Eingabemög­ lichkeit für die Schrittweite der Scanplattform bei Benutzung der Positionierungstasten. Dieser Wert ist voreingestellt und sollte nur geändert werden, wenn man den Schrittmotor eine ganz genau definierte Strecke abfahren lassen will.

F6 Die Anzahl der (Licht-)Schnitte entspricht den Objekt­ positionen, die analysiert werden sollen, und somit der Breite der Bildes.

F7 Der Abstand der Schnitte wird in Motorschritten ange­ geben und bestimmt die Strecke, die zwischen zwei Lichtschnit­ ten liegt. Der Abstand multipliziert mit der Anzahl der Schnitte ergibt die Strecke, die abgetastet wird und die bei Tastenfunktion F1 abgefahren wird. Ein Schritt des Motors ent­ spricht bei einer bevorzugten Ausführungsform 6,25 Mikrome­ tern. Der Abstand zwischen zwei Lichtschnitten ist standardmä­ ßig so gewählt, daß die laterale und Motorshift-Auflösung un­ gefähr den gleichen Wert haben.

F8 Die ersten sechs Buchstaben des Export-Dateinamens können hier geändert werden. Beim Speichern eines Bildes wird zusätzlich eine laufende Nummer angehängt, um zu verhindern, daß alte Daten überschrieben werden.

F9 Möchte man mehrmals das selbe Objekt scannen, um die Reproduziergenauigkeit zu messen, dann kann man hiermit die Meßdurchgangsanzahl erhöhen.

Der letzte Abschnitt FESTE PARAMETER des Hauptmenüs gibt Auf­ schluß darüber, nach welchem Algorithmus die Subpixelinterpo­ lation erfolgt. Änderungen der Verfahrens müssen in eine Ini­ talisierungsdatei eingetragen werden.

Untermenü: Justierung XY-Skalierung

Die Kamera sollte ein kontrastreiches Bild des Kreuzgitters zeigen. Der Laser dient hierbei nur der Einjustierung der Kreuzplatte in die Eichebene und nicht der direkten Messung. Beim Justagevorgang sollte die Positionierungsweite des Schrittmotors auf den Wert 1 gestellt werden, um eine mög­ lichst hohe Genauigkeit zu erzielen.

Zuerst wird die untere Kante der Kreuzplatte in den Laser­ strahl gebracht und die Z-Achse der Platte muß leicht gegen den Laserstrahl geneigt sein. Mit dem Schrittmotor wird jetzt die Mitte der untere Kante (Markierung am Drehgelenk) an den Laserstrahl herangefahren bis diese den Laserstrahl halbiert.

Durch Drehung um die Z-Achse wird die untere rechte Kante der Glasplatte mit der X-Achse zur Deckung gebracht. Die Platte wird solange aufgestellt (durch Drehung um die X-Achse) bis der Laserstrahl halb oben und halb an der unteren Kante sicht­ bar wird. Nun ist der Justagevorgang beendet und es kann eine Softwareauswertung folgen.

Über die Cursortasten muß man nun zwei Meßlinien am Bildschirm auf den Kreuzarmen positionieren. Die Linien sollten möglichst viele Arme kreuzen.

Durch Drücken der ENTER-Taste aktiviert man die Messung, deren Ergebnis rechts neben und unter dem Kamerabild angezeigt wird. Die senkrechten und waagrechten Abstände der Kreuze werden in Subpixeln angegeben und es wird eine Mittelung über alle Werte (bis auf die beiden Randwerte) geliefert. Werden keine oder zu wenige Zahlen angezeigt, dann ist entweder der Kontrast zu schwach oder die Meßlinien liegen nicht exakt genug auf den Kreuzen. Hat man ein sinnvolles Ergebnis erzielt, dann läßt sich dieses mit F8 speichern und wird bei künftigen Messungen als Eichgrundlage verwendet. Mit der ESC-Taste beendet man den Eichvorgang.

Untermenü: Justierung Treppe

Das Mehrstufenendmaß wird waagerecht auf die Scanplattform aufgespannt. Die Lichtlinie soll, durch die Treppenstufen ver­ setzt gebrochen, auf dem Bildschirm zu sehen sein. Dabei ist es vorteilhaft, die mittlere Linie von 5 Linien in die Bild­ schirmmitte zu bringen. Durch jedes Linienteilstück muß eine waagrechte Meßlinien laufen, um ein korrektes Ergebnis zu lie­ fern. Über die rechte und linke Cursortaste kann man die Meß­ linienweite ändern, um sie dann genau zu positionieren.

Messungen werden alle zwei Sekunden neu durchgeführt und ange­ zeigt. Wie bei der XY-Skalierung werden die Abstände der Stu­ fen unter dem Kamerabild geliefert und sollten bei einer gleichmäßigen Treppe und einer intakten Optik kaum voneinander abweichen. Rechts vom Bild wird die Lichtlinienbreite auf den einzelnen Stufen angegeben, und durch die aktualisierende An­ zeige kann man so die Tiefenschärfe der Kamera sehr gut ju­ stieren. Dabei sollte der mittlere Wert der niedrigste in der Spalte sein, und nach oben bzw. nach unten gleichmäßig anstei­ gen. Korrekturen können an den Stellschrauben des Lasers bzw. der Kameralinearfeinverstellung vorgenommen werden. Die Fokus­ sierung auf die mittlere Treppe des Mehrstufenendmaßes sollte zuerst mit dem Laser geschehen, da dieser die größere Apertur besitzt und sich deshalb die Tiefenschärfe schneller ändert. Wird danach die Kamera fokussiert, ist evtl. noch eine Nachju­ stierung des Lasers notwendig. Sind die Werte auf dem Monitor gleichmäßig, kann die Einstellung mit ESC beendet werden.

Das Optiksystem ist jetzt auf den Schnittpunkt der optischen Achse mit dem Laserstrahl justiert.

Untermenü: Laserbreitenmessung

In einem farbigen Kasten wird die Intensitätsverteilung der Lichtlinie vergrößert dargestellt. Angezeigt wird nur ein Standbild. Sollten am Intensitätsregler des Lasers Veränderun­ gen erfolgen, muß die Taste F4 zum Aktualisieren gedrückt wer­ den. Bei schon erfolgter Treppeneichung wird keine Änderung des Tiefenschärfereglers notwendig. Es muß lediglich das Maxi­ mum der Helligkeitskurve mit dem Intensitätsregler auf ca. 90% der möglichen Anzeige eingestellt werden. Ziel ist eine mög­ lichst schlanke Gaußverteilung. Eine Übersteuerung der Optik führt zu schlechteren Meßergebnissen.

Bei der Oberflächenerfassungseinrichtung sowie dem Verfahren zum Erfassen einer Objektoberfläche wird eine auf des Objekt projizierte Lichtlinie unter einem Winkel z. B. mit einer Vi­ deokamera aufgenommen und mit einer speziellen Software ausge­ wertet. Ein 3D-Matching-Programm kann danach beliebig im Raum liegende Aufnahmen bzw. Objekte miteinander vergleichen, kom­ binieren und Messungen durchführen. Mit der Oberflächenerfas­ sungseinrichtung gelang es die Genauigkeit nach dem 3D-Mat­ ching von 15 µm auf 10 µm zu verbessern. Die Reproduziergenau­ igkeit wurde von 3 µm auf 1 µm erhöht. Des weiteren konnte die Meßzeit von über 5 Minuten auf unter 30 Sekunden gesenkt wer­ den. Die Genauigkeit von 10 µm bezieht sich auf die Standardab­ weichung einer gemessen Flächen, ist aber kein Indiz für das Auflösungsvermögen.

Interessant ist der Einsatz von Laserdioden mit möglichst kur­ zer Wellenlänge, da davon indirekt proportional der Spotdurch­ messer abhängt, und dadurch das Auflösungsvermögen steigt. Des weiteren ist der Einsatz von zwei Kameras gleichzeitig eine Möglichkeit, Abschattungen zu verringern, und auch die Meßzeit noch zu verkürzen.

Stoffe die stark von einem homogenen Oberflächenstreuer abwei­ chen, können beim Scanvorgang Probleme bereiten. Metalle ver­ ursachen zum Beispiel ein starkes Specklerauschen, was sich in statistisch verteilten starken Helligkeitsunterschiede auf beispielsweise dem CCD-Chip bemerkbar macht und dadurch eine Auswertung gar nicht oder nur unvollständig ermöglicht.

Die Fig. 24 zeigt eine bevorzugte Kombination der weiter oben im einzelnen beschriebenen Komponenten der Oberflächenerfas­ sungseinrichtung.

In diesen Unterlagen ist eine Oberflächenerfassungseinrichtung sowie ein Verfahren zum Erfassen einer Objektoberfläche offen­ bart. Dabei sind Neuerungen und Verbesserungen einiger Kompo­ nenten angegeben, die bezüglich der ursprünglichen unabhängi­ gen Ansprüche auch von eigenständiger erfinderischer Bedeutung sind und von denen die wesentlichsten nachfolgend zum Teil an­ hand konkreter Ausführungsformen nochmals kurz aufgelistet sind.

Die erfindungsgemäße Oberflächenerfassungseinrichtung kann mit Beobachtungseinrichtungen mit einem korrigierenden Optiksystem mit drei oder mehr Linsen oder Linsensystemen ausgestattet sein. Ein besonderer Anwendungsfall für dieses korrigierende Optiksystem ist die Triangulationsmessung mittels einer Laser­ linie.

Die Chiphalterung kann derart ausgeführt sein, daß Wechselob­ jektive, die insbesondere mit einem korrigierenden Optiksystem ausgestattet sind, angebracht werden können. Beim Wechsel des Objektivs werden der Abbildungsmaßstab und die Auflösung ver­ ändert. Dadurch lassen sich verschieden große Objekte mit un­ terschiedlichen Auflösungen vermessen, wie z. B. größere Objek­ te mit kleineren Auflösungen.

Die strahlungssensitive Oberfläche z. B. eines Kamerachips als Teil von Sensoreinrichtungen kann derart angeordnet sein, daß eine gedachte Gerade auf der lichtempfindlichen Ebene des Chips als Drehachse liegt.

Die Beleuchtungsintensität der Lichtlinie (z. B. Laserlicht) ist dimmbar ausgelegt, so daß sie in Abhängigkeit vom indivi­ duellen Reflexionsverhalten einer zu vermessenden Oberfläche an die Empfindlichkeit des Chips angepaßt werden kann. Dabei kann weiterhin die Einstellung der Intensität der dimmbaren Lichtquelle durch einen automatischen Regelkreis erfolgen. Als Ist-Werte werden die am Chip meßbaren Intensitäten gewählt, die mit gespeicherten Sollwerten verglichen werden. Beispiels­ weise ein Stellmotor justiert ein Potentiometer zur Intensi­ tätsregelung der Lichtquelle. Der Soll/Istwert-Vergleich kann analog oder durch eine Prozessorsteuerung durchgeführt werden.

Beispielsweise können eine Laserdiode mit 635 nm, ein Linsen­ system zur Scharfstellung und eine Zylinderlinse als Bestrah­ lungseinrichtungen verwendet werden.

Ein Kamerachip als Teil von Sensoreinrichtungen kann auf einer Justagehalterung angeordnet sein, die parallel und senkrecht zur optischen Achse verschiebbar sowie derart schwenkbar aus­ geführt ist, daß ein Teil der vom Laserlichtstrahlfächer auf­ gespannten Ebene auf die lichtempfindliche Ebene des Chips insbesondere gemäß den optischen Gesetzmäßigkeiten des vorste­ hend angegebenen korrigierenden Optiksystems scharf abgebildet werden kann.

Chiphalterung sowie Beleuchtungseinheit können jeweils auf Li­ nearführungen angebracht sein, die das Verschieben der opti­ schen Elemente in Richtung ihrer optischen Achsen erlauben, um z. B. scharfzustellen oder die richtige Objektdistanz für ein bereits weiter oben angegebenes Wechselobjektiv einzustellen.

Meßobjekte, die breiter als das optische Meßfeld sind oder Hinterschneidungen aufweisen, können flächensegmentweise abge­ tastet werden. Eine Matching-Software erlaubt das Zusammenset­ zen von Teilflächen.

Die Komponenten der Oberflächenerfassungseinrichtung sind in einem lichtdicht verschließbaren Gehäuse aufgebaut. Zur Vor­ positionierung des Meßobjekts in der darin gebildeten Kammer kann dieses Meßobjekt mittels des Kamerachips betrachtet wer­ den. Eine zusätzliche dimmbare Lichtquelle dient zur Erzeugung der Helligkeit, die für diese Betrachtung notwendig ist.

Alternativ zu der Version der Oberflächenerfassungseinrichtung mit einem lichtdichten Gehäuse könnte die Oberflächenerfas­ sungseinrichtung auch ohne Gehäuse betrieben werden. Dabei oder überhaupt zum Abhalten von Störlicht vom Kamerachip wäh­ rend der Messung kann in den Strahlengang der Beobachtungsop­ tik ein Filter eingebaut werden, der nur zum Durchlassen der Wellenlänge des Laserlichts (z. B. 635 nm) ausgelegt ist. Eine solche Filtervorrichtung kann Farbfilter entsprechend der Lichtquellenfarbe zum Ausfiltern von Störstrahlung anderer Wellenlänge und/oder Polfilter zum Ausfiltern oder Dämpfen von Störreflexionen enthalten. Weiterhin können auch Interferenz­ filter mit Vorteil eingesetzt werden.

Die Oberflächenerfassungseinrichtung kann mit einem oder meh­ reren Computer(n) verbunden sein, der/die zur Erfassung, Aus­ wertung und Weiterverarbeitung der dreidimensionalen Oberflä­ chendaten dient/dienen.

Die Oberflächenerfassungseinrichtung oder eine entsprechende Scanvorrichtung kann in Verbindung mit einem formgebenden Ver­ fahren, wie z. B. einer mehrachsigen Fräsmaschine, als dreidi­ mensionale Kopiermaschine ausgeführt werden. Dabei werden die gemessenen Daten von z. B. der Fräsmaschine abgearbeitet. Die Daten könne direkt verarbeitet oder zwischengespeichert wer­ den. Die Scanvorrichtung und die Fräsvorrichtung können in ei­ nem gemeinsamen Gehäuse oder aber räumlich getrennt ausgeführt sein.

Zur Positionierung der Meßobjekte in verschiedenen Lagen im dreidimensionalen Raum (z. B. zum Abtasten von Hinterschneidun­ gen) wird eine spezielle Einspannvorrichtung verwendet. Ein Einspanntisch mit Spannbacken ist auf einer oder mehreren hin­ tereinandergeschalteten Kugelvorrichtung(en) mit arretierbarer Kugelpfanne angebracht. Alternativ können z. B. mehrachsige Li­ nearführungsanordnungen in Kombination mit Dreh- oder Schwenk­ einrichtungen verwendet werden.

Zur Eichung des Systems kann eine mit einem definierten Raster versehene Kalibrierplatte in die Meßebene (Ebene des Laser­ lichtfächers) gestellt. Vorzugsweise ist diese Platte aus ei­ nem beschichteten transparenten Material ausgeführt. Die Ra­ stermarkierungen können z. B. durch die rastergemäße Entfernung der Beschichtung erzeugt werden, so daß die Platte an den Stellen des Rasters transparent ist. Das Raster wird rücksei­ tig mittels einer diffusen Lichtquelle beleuchtet, so daß ein homogen leuchtendes Rasterfeld auf den Kamerachip abgebildet werden kann. In Kombination damit ist es ferner von Vorteil, wenn die Lichtquelle dimmbar ausgeführt ist, so daß für ggf. verschiedene vorhandene Wechseloptiken verschiedene Intensitä­ ten zur Kalibrierung eingestellt werden können. Da die geome­ trischen Gegebenheiten des Rasters bekannt sind, kann anhand der Abbildung eine Eichung berechnet werden. Die Korrekturwer­ te für einzelne Pixel sowie die Faktoren zur Größenskalierung werden gespeichert und bei späteren Messungen verwendet.

Das Meßverfahren ist besonders geeignet zur Vermessung diffus reflektierender Oberflächen. Zur Vermessung spiegelnder, wie z. B. metallischer Oberflächen kann eine diffus reflektierende Schicht beispielsweise mittels eines Sprays oder Pulvers auf das Meßobjekt aufgebracht werden. Die Dicke der Schicht kann je nach Meßaufgabe vernachlässigt oder rechnerisch abgezogen werden.

Die Oberflächenerfassungseinrichtung kann ein schwingungs- und verwindungsstabiles Portal zur Aufnahme der Sensoreinrichtun­ gen, Beobachtungseinrichtungen und/oder Bestrahlungseinrich­ tungen insbesondere inklusive eines Schrittmotors zum Verfah­ ren der Meßobjekte enthalten.

Die Beleuchtungs- oder Bestrahlungseinrichtungen können vor­ zugsweise mit einer Linienoptik, wie insbesondere z. B. einer Zylinderlinse, einem Hyperbelprisma o.a., ausgestattet sein.

Es können Justiermöglichkeiten linear in Richtung der opti­ schen Achsen mit einer Genauigkeit von bevorzugt ca. 2-3 µm vorgesehen sein.

Der Triangulationswinkel kann in einem Bereich von 10°-40° variabel eingestellt werden.

Es wird eine Oberflächenerfassungseinrichtung geschaffen bei der vorzugsweise möglichst alle Parameter des Triangulations­ lichtschnittverfahrens einstellbar und vor allem reproduzier­ bar sind. Die Oberflächenerfassungseinrichtung kann für unter­ schiedliche Meßprobleme bei optimal hoher Genauigkeit 3D-Daten liefern, mit denen eine Weiterverarbeitung z. B. für CAM/CNC- Maschinen möglich ist.

Sämtliche Verstellmöglichkeiten, die im Rahmen dieser Unterla­ gen beschrieben sind, können einzeln oder kombiniert insbeson­ dere halbautomatisch oder vollautomatisch verstellt oder in Abhängigkeit von Messungen eingestellt werden.

Alle Modifikationen und Substitutionen, die der Fachmann ggf. unter Einbeziehung seines Fachwissens dieser Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung zu entnehmen vermag, sind vom Um­ fang dieser Erfindung erfaßt.

Bezugszeichenliste

1

Oberflächenerfassungseinrichtung

2

Objekt

3

Bestrahlungseinrichtungen

4

Anordnung zur Erzeugung einer Lichtlinie

5

Lichtlinie

6

Strahlengang

7

Oberfläche

8

Ausgestaltung

9

Beobachtungseinrichtungen

10

Sensoreinrichtungen

11

CCD-Chip

11

' Pixel des CCD-Chips

12

strahlungssensitive Oberfläche

13

Hauptachse der Bestrahlungseinrichtungen

14

Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen

15

optisches Glied

16

optisches Glied

17

Blende

18

Drehscheibe

19

Gehäuse

20

Aufnahmeöffnung

21

Gehäuseöffnung

22

Strahlung

23

Halterung

24

optisches Glied

25

optisches Glied

26

Lasermodul

27

Laserdiode

28

Strahlungsquelle

29

Kollimatoroptik

30

Zylinderlinse

31

Portalaufbau

32

vertikale Profilträger

33

horizontaler Aufnahmeträger

34

Säulenführung, Säule

35

Höhenverstellung

36

Optikeinheit

36

' Schrittmotor

37

CCD-Kamera

37

38

Kamerakopf

39

CCD- oder Kopfgehäuse

40

Keil

41

Exzenterscheibe

42

Lineartisch

43

Schraubengetriebe

44

Zahnstangenantrieb

45

Zahnriemenantrieb

46

Umlenkrollen

47

Zahnriemen

48

Schraubentrieb

49

Spindel

50

Mutter

51

Linearschlitten

52

zentrische Klemmung

53

Dreheinrichtung

54

Montageplatte

55

Gestänge

56

Montageplatte

57

Schwingspiegel

57

' teilkreisförmige Führungs- und Montage­ schlitze

58

Linsensystem

59

Blende

60

Fokussierungslinse

61

Umlenkspiegel

62

Stufenendmaß

63

Mehrstufenendmaß

64

Kantenpositionen

65

Kreuzgitter- oder Kreuzplatte

66

Lampe

67

Vorrichtung zum Durchführen der Justie­ rung der Kreuzplatte

68

Objekthalter

69

Linearverfahreinheit

70

Objekthaltertisch

71

Kugelgelenk

72

Spannbolzen

73

Spindel
A Projektion eines einzelnen Pixels des CCD-Chips
B Doppelpfeil
C Hilfslinie
D Pfeil
E Pfeil
F Doppelpfeil
G Doppelpfeil
H Doppelpfeil
f₁

Brennweite für das optische Glied

15

f₂

Brennweite für das optische Glied

16

h Höhe
Θ Beobachtungs- oder Triangulationswinkel
Θ' Detektionswinkel

13

Abbildungsmaßstab

Claims (34)

1. Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Triangulati­ onsprinzip zur 3D-Datengewinnung, mit Bestrahlungsein­ richtungen zum Bestrahlen zumindest eines Teils der zu erfassenden Objektoberfläche und Beobachtungseinrichtun­ gen zum Abbilden wenigstens eines Ausschnittes des be­ strahlten Teils der zu erfassenden Objektoberfläche auf Sensoreinrichtungen zum Detektieren, wobei für den Detek­ tionswinkel Θ' zwischen der Hauptachse der Beobachtungs­ einrichtungen und einer Bildebene auf den Sensoreinrich­ tungen gilt
tan Θ' = 1/β tan Θ;
worin β der für jeden Punkt der Objektoberfläche konstan­ te Abbildungsmaßstab der Beobachtungseinrichtungen und Θ der Beobachtungswinkel zwischen den Hauptachsen der Be­ strahlungseinrichtungen und der Beobachtungseinrichtungen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine die Bildebene bestimmende strahlungssensitive Oberfläche (12) der Sensoreinrichtungen (10) zur Einstellung des Detekti­ onswinkels Θ' um eine wenigstens annähernd in der Bilde­ bene liegende Achse verstellbar ist.

2. Oberflächenerfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtungen (10) zur Um­ wandlung von optischen Informationen in elektrische Si­ gnale eine CCD-Vorrichtung (11) enthalten, die die strah­ lungssensitive Oberfläche (12) enthält und zur Einstel­ lung des Detektionswinkels Θ' um eine Achse verstellbar angeordnet ist, die wenigstens annähernd in der die Bil­ debene bestimmenden strahlungssensitiven Oberfläche (12) der CCD-Vorrichtung (11) liegt, wobei die CCD-Vorrichtung bevorzugt ein CCD-Chip (11) ist und/oder insbesondere ei­ ne zweidimensionalen Sensorfläche aufweist.

3. Oberflächenerfassungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtungen (10) eine Drehscheibe (18) enthalten, die um die Achse zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' drehbar ist, und bezüglich der die strahlungssensitive Oberfläche (12) der Sensoreinrichtungen (10) so fixiert ist, daß die strah­ lungssensitive Oberfläche (12) zur Einstellung des Detek­ tionswinkels Θ' um eine zumindest im wesentlichen in ihr verlaufende Achse zusammen mit der Drehscheibe (18) ver­ stellbar ist.

4. Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen­ soreinrichtungen (10) eine um die Achse zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' drehbare Buchse enthalten, in­ nerhalb der die strahlungssensitive Oberfläche (12) der Sensoreinrichtungen (10) so fixiert ist, daß die strah­ lungssensitive Oberfläche (12) zur Einstellung des Detek­ tionswinkels Θ' um eine zumindest im wesentlichen in ihr verlaufende Achse zusammen mit der Buchse verstellbar ist, und daß die Buchse eine Buchsenöffnung zum Durchlas­ sen der mittels der Beobachtungseinrichtungen (9) von der zu erfassenden Objektoberfläche (7) kommenden Strahlung (22) enthält, wobei die Buchsenöffnung in der Drehrich­ tung um die Achse zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' solche Abmessungen aufweist, daß die mittels der Be­ obachtungseinrichtungen (9) von der zu erfassenden Objek­ toberfläche (7) kommende Strahlung (22) bei verschiedenen Detektionswinkeln Θ' auf die strahlungssensitive Ober­ fläche (12) der Sensoreinrichtungen (10) trifft.

5. Oberflächenerfassungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehscheibe (18) oder die Buchse um die Achse zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' in einem Gehäuse (19), und insbesondere in einer Auf­ nahmeöffnung (29) des Gehäuses (19) drehbar angeordnet ist, das eine Gehäuseöffnung (21) zum Durchlassen der mittels der Beobachtungseinrichtungen (9) von der zu er­ fassenden Objektoberfläche (7) kommenden Strahlung (22) enthält.

6. Oberflächenerfassungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseöffnung (21) direkt an die Beobachtungseinrichtungen (9) angeschlossen ist und/oder einen Teil der Beobachtungseinrichtungen (9) aufnimmt.

7. Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse und/oder ggf. das Gehäuse (19) mit Drehscheibe (18) oder Buchse mit Ausnahme der Buchsenöffnung bzw. der Gehäuseöffnung (21) zumindest im wesentlichen strahlungsdicht abge­ schlossen sind/ist.

8. Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detek­ tionswinkel Θ' zwischen der Hauptachse (14) der Beobach­ tungseinrichtungen (9) und der Bildebene auf den Sen­ soreinrichtungen (10) und der Beobachtungswinkel Θ zwi­ schen den Hauptachsen (13, 14) der Bestrahlungseinrich­ tungen (3) und der Beobachtungseinrichtungen (9) in einer Ebene liegen.

9. Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse, um die die Sensoreinrichtungen (10) zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' verstellbar sind, zumindest im we­ sentlichen senkrecht zur Hauptachse (14) der Beobach­ tungseinrichtungen (9) verläuft.

10. Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die die Bildebene bestimmende strahlungssensitive Ober­ fläche (12) der Sensoreinrichtungen (10)
wenigstens annähernd parallel und/oder in einer Ebene zu­ mindest ungefähr senkrecht zur Hauptachse (14) der Beob­ achtungseinrichtungen (9) und/oder in einer die Hauptach­ se (14) der Beobachtungseinrichtungen (9) mindestens teilweise enthaltenden Ebene insbesondere zum Scharfstel­ len des mittels der Beobachtungseinrichtungen (9) auf die Bildebene projizierten Bestrahlungsbildes verstellbar ist, und/oder
zumindest annähernd äquidistant bezüglich des Schnitt­ punktes der Hauptachsen (13, 14) der Bestrahlungseinrich­ tungen (3) und der Beobachtungseinrichtungen (9) zur Ein­ stellung des Beobachtungswinkels Θ insbesondere durch eine schienenartige Führung (57') verschwenkbar ist, wobei vorzugsweise wenigstens zwei der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der strahlungssensitiven Oberfläche (12) gekoppelt sind.

11. Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Beobachtungseinrichtungen (9)
wenigstens annähernd parallel und/oder in einer Ebene zu­ mindest ungefähr senkrecht zur Hauptachse (14) der Beob­ achtungseinrichtungen (9) und/oder in einer die Hauptach­ se (14) der Beobachtungseinrichtungen (9) mindestens teilweise enthaltenden Ebene insbesondere zum Scharfstel­ len des mittels der Beobachtungseinrichtungen (9) auf die Bildebene projizierten Bestrahlungsbildes verstellbar ist, und/oder
zumindest annähernd äquidistant bezüglich des Schnitt­ punktes der Hauptachsen (13, 14) der Bestrahlungseinrich­ tungen (3) und der Beobachtungseinrichtungen (9) zur Ein­ stellung des Beobachtungswinkels Θ insbesondere durch eine schienenartige Führung (57') verschwenkbar ist, so daß der Beobachtungswinkel Θ vorzugsweise im Bereich von 10° bis 40° variabel ist,
wobei vorzugsweise wenigstens zwei der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der Beobachtungseinrichtungen (9) gekoppelt sind und/oder mindestens eine der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der Beobachtungseinrichtungen (9) mit einer der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der strahlungssensitiven Oberfläche (12) gekoppelt ist.

12. Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Bestrahlungseinrichtungen (3)
wenigstens annähernd parallel und/oder in einer Ebene zu­ mindest ungefähr senkrecht zur Hauptachse (13) der Be­ strahlungseinrichtungen (3) und/oder in einer die Haupt­ achse (13) der Bestrahlungseinrichtungen (3) mindestens teilweise enthaltenden Ebene insbesondere zum Scharfstel­ len des mittels der Bestrahlungseinrichtungen (3) auf die Objektoberfläche (7) projizierten Bestrahlungsbildes ver­ stellbar ist, und/oder
zumindest annähernd äquidistant bezüglich des Schnitt­ punktes der Hauptachsen (13, 14) der Bestrahlungseinrich­ tungen (3) und der Beobachtungseinrichtungen (9) zur Ein­ stellung des Beobachtungswinkels Θ insbesondere durch eine schienenartige Führung (57') verschwenkbar ist, wobei vorzugsweise wenigstens zwei der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der Bestrahlungseinrichtungen (3) gekoppelt sind und/oder mindestens eine der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der Bestrahlungseinrichtungen (3) mit ggf. einer der Verstell- oder Schwenkmöglichkei­ ten der Beobachtungseinrichtungen (9) oder einer der Ver­ stell- oder Schwenkmöglichkeiten der strahlungssensitiven Oberfläche (12) gekoppelt ist.

13. Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beob­ achtungseinrichtungen (9) zur Beeinflussung ihres Abbil­ dungsmaßstabes β und/oder ihrer Auflösung auswechselbar sind oder auswechselbare optische Glieder (15, 16; 15, 16, 24; 15, 16, 24, 25) enthalten.

14. Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beob­ achtungseinrichtungen (9) wenigstens zwei und bevorzugt drei getrennte optische Glieder (15, 16; 15, 16, 24; 15, 16, 24, 25) enthalten, die jeweils zumindest eine Linse und insbesondere jeweils insgesamt positive Brechkraft aufweisen, und/oder daß die Beobachtungseinrichtungen (9) wenigstens eine Blende (17) enthalten, wobei insbesondere ggf. das mittlere optische Glied (24) nahe der Blende (17) und/oder die äußeren optischen Glie­ der (15, 16) in der Nähe der zu erfassenden Objektober­ fläche (7) bzw. der Bildebene angeordnet ist/sind, wobei vorzugsweise die Abstände der äußeren optischen Glieder (15, 16) von der Blende (17) größer als von der zu erfas­ senden Objektoberfläche (7) bzw. der Bildebene sind.

15. Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ strahlungseinrichtungen (3) zum Bestrahlen eines linien­ förmigen Teils (5) der zu erfassenden Objektoberfläche (7) ausgelegt sind und insbesondere Einrichtungen (30; 57) enthalten, die auf die Strahlung (6) eine Zylinder­ linsen- oder Hyperbelprismenwirkung oder die Wirkung ei­ nes Drehspiegels ausüben.

16. Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ strahlungseinrichtungen (3) eine Strahlungsquelle (28), insbesondere eine Laservorrichtung (26) und bevorzugt ei­ ne Laserdiode (27) enthalten, und/oder daß die Strah­ lungsquelle (28) dimmbar ist, wobei vorzugsweise eine insbesondere automatische Regeleinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, die von der dimmbaren Strah­ lungsquelle (28) abgegebene Strahlungsintensität in Ab­ hängigkeit von der von den Sensoreinrichtungen (10) de­ tektierten Signalintensität einzustellen.

17. Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ob­ jekthalterung (68) vorgesehen ist, die insbesondere in einer Ebene quer zur Hauptachse (13) der Bestrahlungsein­ richtungen (3) vorzugsweise motorisch und insbesondere bevorzugt gesteuert verstellbar ist.

18. Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugswei­ se eine Computersteckkarte enthaltende Auswerteeinrich­ tungen zum daten- und/oder bildmäßigen Aufbereiten und insbesondere Anzeigen der Ausgaben der Sensoreinrichtun­ gen (10) vorgesehen sind, wobei die Auswerteeinrichtungen vorzugsweise ferner zur betriebsmäßigen Versorgung und insbesondere Steuerung von Komponenten der Oberflächener­ fassungseinrichtung (1), wie bevorzugt der Sensoreinrich­ tungen (10), der Strahlungsquelle (28), ggf. der Regel­ einrichtung für die Strahlungsintensität, ggf. von Ein­ richtungen zum Verstellen oder Verschwenken der Bildebene der Sensoreinrichtungen (10), zumindest von Teilen der Bestrahlungseinrichtungen (3), zumindest von Teilen der Beobachtungseinrichtungen (9) und/oder der Objekthalte­ rung (68) ausgelegt sind.

19. Oberflächenerfassungseinrichtung nach Anspruch 18, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtungen über Speichereinrichtungen verfügen und ferner dazu ausgelegt sind, die in den Spei­ chereinrichtungen abgelegten Daten von unterschiedlichen Teilbereichen oder unterschiedlichen Ansichten eines Teilbereichs der zu erfassenden Objektoberfläche (7) zu einem Gesamtdatensatz und/oder einem Gesamtbild zu kombi­ nieren und ggf. vorzugsweise die Objekthalterung (68) so zu steuern, daß die zu erfassende Objektoberfläche (7) in aufeinanderfolgenden, sich insbesondere teilweise über­ deckenden Bahnen bestrahlt wird, und/oder
daß die Auswerteeinrichtungen zum Anzeigen eines zweidi­ mensionalen Abbildes der zu erfassenden Objektoberfläche (7) insbesondere wahlweise gleichzeitig oder alternativ zur Anzeige von dreidimensionalen Werten oder Graphiken der zu erfassenden Objektoberfläche (7) ausgelegt sind, wobei vorzugsweise die Bestrahlungseinrichtungen (3) für eine Gesamtbestrahlung einstellbar oder eine zusätzliche bevorzugt dimmbare Gesamtbestrahlungsquelle vorgesehen ist, und/oder
daß die Auswerteeinrichtungen zur halbautomatischen oder vollautomatischen Erkennung von fehlenden Informationen über die zu erfassende Objektoberfläche (7) und zur Be­ schaffung der fehlenden Informationen zur Steuerung von Komponenten der Oberflächenerfassungseinrichtung, insbe­ sondere die Objekthalterung (68) und vorzugsweise deren Lage und/oder eines Verschiebeweges davon, in Abhängig­ keit von den Ausgaben der Sensoreinrichtungen (10) ausge­ legt sind.

20. Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beob­ achtungseinrichtungen (9) zumindest eine Filtervorrich­ tung zum Ausfiltern von Störstrahlung insbesondere unmit­ telbar vor der Bildebene auf den Sensoreinrichtungen (10) und bevorzugt wahlweise in den Strahlengang einbringbar enthalten.

21. Oberflächenerfassungseinrichtung nach Anspruch 20 und ei­ nem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Filtervorrichtung dem Gehäuse (19) oder der Buchse und insbesondere der Gehäuseöffnung (21) bzw. der Buchsenöffnung zugeordnet ist.

22. Oberflächenerfassungseinrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Fil­ tervorrichtung ein Wellenlängenfilter zum Durchlassen oder Ausfiltern wenigstens einer konkreten Wellenlänge, ein Polarisationsfilter oder ein Interferenzfilter ist.

23. Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein schwin­ gungs- und verwindungsstabiles Portal (31) zur Aufnahme der Bestrahlungseinrichtungen (3), der Beobachtungsein­ richtungen (9) und/oder der Sensoreinrichtungen (10) vor­ gesehen ist, wobei dem Portal (31) insbesondere ferner Antriebseinrichtungen (36') zur Verstellung einer Objekt­ halterung (68) zugeordnet sind.

24. Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für Eich­ körper (62; 63; 65) Justiervorrichtungen (67) vorgesehen sind, die zur Aufnahme vorzugsweise einer Kreuzplatte (65) und/oder eines Stufenendmaßes (62; 63), insbesondere eines Mehrstufenendmaßes (63), als Eichkörper ausgelegt sind.

25. Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Formge­ bungseinrichtungen zur insbesondere wählbar automatischen Erstellung dreidimensionaler Kopien von Objekten (2) oder deren Oberflächen (7) angeschlossen sind.

26. Verfahren zur Oberflächenerfassung nach dem Triangulati­ onsprinzip zur 3D-Datengewinnung, wobei mit Bestrahlungs­ einrichtungen zumindest ein Teil der zu erfassenden Ob­ jektoberfläche bestrahlt wird und wenigstens ein Aus­ schnitt des bestrahlten Teils der zu erfassenden Objekto­ berfläche mittels Beobachtungseinrichtungen zum Detektie­ ren unter der Bedingung
tan Θ' = 1/β tan Θ;
auf Sensoreinrichtungen abgebildet wird, wobei Θ' der Detektionswinkel zwischen der Hauptachse der Beobach­ tungseinrichtungen und einer Bildebene auf den Sensorein­ richtungen, β der für jeden Punkt der Objektoberfläche konstante Abbildungsmaßstab der Beobachtungseinrichtungen und Θ der Beobachtungswinkel zwischen den Hauptachsen der Bestrahlungseinrichtungen und der Beobachtungsein­ richtungen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstel­ lung des Detektionswinkels Θ' zumindest eine die Bilde­ bene bestimmende strahlungssensitive Oberfläche (12) der Sensoreinrichtungen (10) um eine in der Bildebene liegen­ de Achse verstellt wird.

27. Verfahren zur Oberflächenerfassung nach Anspruch 26, da­ durch gekennzeichnet, daß zumindest vor einer ersten Durchführung des Verfahrens eine Eichung mittels wenig­ stens eines Eichkörpers (62; 63; 65), vorzugsweise einer Kreuzplatte (65) und/oder eines Stufenendmaßes (62; 63), insbesondere eines Mehrstufenendmaßes (63), durchgeführt wird, und daß bevorzugt vor einer Eichung ggf. eine Kreuzplatte (65) zumindest annähernd parallel zur Hauptachse (13) der Bestrahlungseinrichtungen (3) und insbesondere wenigstens ungefähr senkrecht zur durch die Winkel Θ' und Θ aufgespannten Ebene einjustiert wird.

28. Verfahren zur Oberflächenerfassung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine zu erfassende Objektoberfläche (7) vor ihrer Erfassung eine diffus re­ flektierende Schicht, vorzugsweise in Spray- oder Pulver­ form aufgebracht wird.

29. Verfahren zur Oberflächenerfassung nach einem der Ansprü­ che 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der von den Bestrahlungseinrichtungen (3) abgegebenen Strahlung (6) insbesondere automatisch in Abhängigkeit von der Empfindlichkeit der Sensoreinrichtungen (10) und dem Reflexionsverhalten der zu erfassenden Objektoberflä­ che (7) eingestellt wird.

30. Verfahren zur Oberflächenerfassung nach einem der Ansprü­ che 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Bestrahlungseinrichtungen (3) auf der zu erfassenden Ob­ jektoberfläche (7) eine Bestrahlungslinie (5) erzeugt wird, und daß die Objektoberfläche (7) zumindest im we­ sentlichen senkrecht zu der Bestrahlungslinie (5) ver­ stellt wird.

31. Verfahren zur Oberflächenerfassung nach einem der Ansprü­ che 26 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß eine zu erfas­ sende Objektoberfläche (7) in Teilen erfaßt wird, die mittels mit Speichereinrichtungen zum Ablegen erfaßter Teile der zu erfassenden Objektoberfläche (7) versehenen Auswerteeinrichtungen vorzugsweise wenigstens halbautoma­ tisch und besonders bevorzugt vollautomatisch daten- und/oder bildmäßig zusammengesetzt werden.

32. Verfahren zur Oberflächenerfassung nach einem der Ansprü­ che 26 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß von einer zu erfassenden Objektoberfläche (7) unter verschiedenen Be­ strahlungswinkeln Erfassungen durchgeführt werden, die mittels mit Speichereinrichtungen zum Ablegen durchge­ führter Erfassungen der zu erfassenden Objektoberfläche (7) versehenen Auswerteeinrichtungen vorzugsweise wenig­ stens halbautomatisch und besonders bevorzugt vollautoma­ tisch daten- und/oder bildmäßig zusammengesetzt werden.

33. Verfahren zur Oberflächenerfassung nach einem der Ansprü­ che 26 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Auswerteeinrichtungen bestimmt wird, ob eine Erfassung zumindest eines Teils der zu erfassenden Objektoberfläche vollständig war, und daß, wenn vorzugsweise wenigstens halbautomatisch und besonders bevorzugt vollautomatisch eine nicht vollständige Erfassung zumindest des Teils der zu erfassenden Objektoberfläche (7) festgestellt wird, eine Objekthalterung (68) eingestellt und/oder vorzugs­ weise wenigstens halbautomatisch und besonders bevorzugt vollautomatisch von den Auswerteeinrichtungen so zum Ver­ schieben, Drehen und/oder Kippen gesteuert wird, daß die Erfassung wenigstens des Teils der zu erfassenden Objek­ toberfläche (7) komplettiert wird.

34. Verfahren zur Oberflächenerfassung nach einem der Ansprü­ che 26 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Er­ fassung der gesamten gewünschten Objektoberfläche (7) oder des gesamten Objektes (2) mittels der erhaltenen In­ formationen über die Objektoberfläche (7) oder das Objekt (2) insbesondere wählbar automatisch mit einem formgeben­ den Verfahren eine dreidimensionale Kopie der Objektober­ fläche (7) oder des Objekts (2) erstellt wird.