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Die
Erfindung betrifft einen Projektor für eine Anordnung zum dreidimensionalen
optischen Vermessen von Objekten mit einem topometrischen Messverfahren,
bei dem Bilder von auf ein Objekt projizierten Projektionsmustern
mit einer Beobachtungskamera aufgenommen und ausgewertet werden,
wobei der Projektor eine Beleuchtungseinheit und einen mit Projektionsmustern
versehenen Träger zur
Projektion von Lichtstrukturen hat.
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Die
dreidimensionale optische Erfassung von Objektoberflächen mittels
optischer Triangulationssensoren, nach dem Prinzip der Topometrie, auch
Streifenprojektion genannt, ist hinreichend bekannt. Hierbei werden
unterschiedliche Streifenmuster auf das zu vermessende Objekt projiziert,
von einer oder mehreren Kameras beobachtet und anschließend rechnergestützt ausgewertet.
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Die
Grundlagen und praktischen Anwendungen solcher topometrischer Messverfahren
werden beispielsweise in Bernd Breuckmann: "Bildverarbeitung und optische Messtechnik
in der industriellen Praxis",
1993, Franzis-Verlag GmbH, München
ausführlich
beschrieben.
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In
Reinhard W. Malz: "Codierte
Lichtstrukturen für
3-D-Meßtechnik
und Inspektion",
Berichte aus dem Institut für
Technische Optik der Universität Stuttgart,
Januar 1992, werden verschiedene Vorrichtungen beschrieben, mit
denen derartige Messaufbauten realisiert werden können.
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Eine
technische Umsetzung ist z.B. aus der
DE 44 15 834 C2 bekannt, bei welcher die
projizierten Lichtstrukturen mittels einer Mehrzahl von phasenrichtig
auf einem Träger
angeordneten Projektionsgittern erzeugt werden, die nacheinander
durch lineare Verschiebung des Trägers zur Projektion gelangen.
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Weiterhin
ist aus der
EP 0 379
079 B2 ein Träger
für mehrere
nebeneinander angeordnete lineare parallele Strichgitter beschrieben,
wobei der Träger
definiert verschiebbar ist.
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Aus
DE 197 43 811 A1 ist
eine Anordnung bekannt, bei der spiralförmige Streifen auf einer Kreisscheibe
angeordnet sind.
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In
US 4 871 256 wird ebenfalls
von einer Kreisscheibe ausgegangen, wobei es sich hier um kreisförmige Streifen
handelt. Das Zentrum der kreisförmigen
Streifen befindet sich im Drehpunkt der Scheibe
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DE 103 11 111 A1 offenbart
ein Verfahren zur Positionsbestimmung mindestens einer beweglichen Einheit,
bei dem eine Mehrzahl fester und beweglicher Marken erfasst und
aus deren relative Lage auf eine Position geschlossen wird. Die
Marken haben hierbei Linienmuster. Im Ansprechen auf erfasste andere
Marken wird ein virtuelles Linienmuster bestimmt und aus einer berechneten Überlagerung
von realen und virtuellen Linien die Position ermittelt.
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DE 199 63 333 A1 offenbart
ein Verfahren zur Ermittlung von dreidimensionalen Oberflächenkoordinaten
durch Projektion farbiger Musterelemente und Dekodierung der Messinformation
mit Hilfe der Farbinformation.
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JP
2003-042736 A beschreibt ein Verfahren zur Projektion von Muster
mit sinusförmiger
Helligkeitsverteilung, wobei aufeinanderfolgende Musterbereiche
phasenverschoben zueinander sind. Beim Wechsel eines Musterbereichs
zum nächsten
ist der Phasenversatz in der Projektion sichtbar und kann ausgewertet
werden. Bei der Bewegung des Trägers innerhalb
eines Musterbereichs entspricht das projizierte Muster dem auf dem
Träger
angeordneten Muster und bleibt konstant.
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In
der
DE 33 28 753 C2 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abbildung einer Szene beschrieben,
bei dem ein Träger
mit einem Projektionsmuster vorgesehen ist, das in Bewegungsrichtung
des Trägers
einen sinusförmigen
Helligkeitsverlauf aufweist. Das Muster wird auf ein Objekt projiziert,
so dass sich der sinusförmige
Helligkeitsverlauf auf dem Objekt abgebildet wird und sich die Helligkeit
pro Messpunkt auf dem Objekt entsprechend sinusförmig über die Zeit ändert. Die
dunklen bzw. hellen Streifen des Projektionsmusters wandern somit
bei Verschiebung des Trägers
kontinuierlich.
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Gemeinsam
haben diese Schriften, dass es sich bei den Mustern auf den Trägern um
Streifen handelt. Diese Streifen können mit einem bekannten Verfahren
der Belichtung einer mit einer Metallschicht beschichteten Glasplatte
erzeugt werden. Durch dieses Verfahren lassen sich sowohl Gitterstrukturen
mit hoher Liniendichte, als aber auch mit Hilfe des Ditterings-Verfahrens
zum Beispiel sinusförmige
Helligkeitsverläufe
erzeugen.
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Beim
Dittering-Verfahren wird beispielsweise eine sinusförmige Helligkeitsverteilung
des Projektionsgitters, durch die Zusammensetzung jeder einzelnen
Gitterlinie aus einer Vielzahl unterschiedlich breiter feiner Linien
angenähert.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen verbesserten Projektor zu schaffen,
mit dem bei gleich bleibender Messqualität einfachere Strukturen auf
dem Träger
eine kosten günstigere
Herstellung gewährleisten.
Außerdem
soll eine sehr hohe Messgeschwindigkeit erreicht werden.
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Die
Aufgabe wird durch den Projektor gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Projektor
werden im Gegensatz zu dem Dittering-Verfahren Projektionsmuster auf einem
Träger
verwendet, die sich selbst wieder aus sich wiederholenden untereinander angeordneten
gefüllten
Einzelstrukturen, wie zum Beispiel Dreiecke, Kreise, Rauten oder
Sinusse zusammensetzen.
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Der
Träger
ist dabei so im Projektor montiert, dass er während der Beleuchtungszeit
eine Bewegung durchführt,
die dazu führt,
dass eine Vielzahl von Einzelstrukturen das Projektionsfenster durchlaufen.
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Der
Projektor ist dabei so durch Auswahl der Größe der Strukturen und der Bewegungsgeschwindigkeit
eingerichtet, dass im Kamerabild durch die Bewegungsunschärfe Streifenmuster
entstehen. Hierzu muss auch die Belichtungszeit der Kamera entsprechend
angepasst sein. Es werden jeweils so viele Einzelstrukturen hintereinander
angeordnet, dass sich das auf das Objekt projizierte und aufgenommene
Bild während
der Belichtungszeit nicht verändert,
wenn sich der Träger
bewegt.
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Sollen
die Streifen verschoben oder ihre Breite verändert werden, so werden auf
dem Träger unterschiedliche
Bereiche appliziert, in denen die Einzelstrukturen veränderte Positionen
bzw. veränderte
Breiten haben.
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Bei
der Ausführung
des Verfahrens ist somit nur sicherzustellen, dass die Belichtung
bzw. Bildaufnahme mit dem gewünschten
Projektionsmuster synchronisiert ist. Die Verschiebegeschwindigkeit
des Trägers
selbst hat keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit.
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Beim
Stillstand des Trägers
ist als Projektionsmuster zum Beispiel eine Vielzahl von Einzelstrukturen
erkennbar. Diese Strukturen sind im Stillstand für eine Messung nach dem Streifenprojektionsprinzip
unbrauchbar. Erst durch die Bewegung der Muster während der
Aufnahme entstehen die erforderlichen Streifen durch Bewegungsunschärfe.
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Durch
die Erfindung können
erwünschte
Intensitätsverteilung
der Streifen durch entsprechende Anpassung der Einzelstrukturen
sehr einfach erstellt werden. Es müssen nicht so feine und teure
Strukturen erzeugt werden, wie beim bekannten Ditteringsverfahren.
Zudem muss die Trägerbewegung
während
der Messung nicht gestoppt werden. Hierdurch sind kurze Messzeiten
möglich.
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Der
Träger
kann derart beweglich in dem Projektor angeordnet sein, dass eine
lineare Verschiebung des Trägers
erfolgt. Die Projektionsmusters sind dann entsprechend linear ausgerichtet.
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In
einer alternativen Ausführungsform
ist der Träger
derart beweglich in dem Projektor angeordnet, dass eine Rotationsbewegung
des Trägers
erfolgt. Die Projektionsmusters sind dann entsprechend kreisförmig ausgerichtet.
Dies hat den Vorteil, dass eine unterbrechungsfreie Vermessung ohne Stillstandszeiten
möglich
ist.
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Zur
Synchronisation des Projektors ist es besonders vorteilhaft, wenn
Markierungen auf dem Träger
zur Triggerung der Beleuchtungseinheit und/oder mindestens einer
Beobachtungskamera so angeordnet sind, dass eine Beleuchtung und/oder
Aufnahme erfolgt, wenn ein einer Markierung zugeordnetes Projektionsmuster
in dem Strahlengang zwischen Beleuchtungseinheit und Objekt ausgerichtet
ist.
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Es
kann auch ein mit dem Bewegungsmotor des Projektionsträgers gekoppelter
Encoder zur Triggerung der Beleuchtungseinheit und/oder Beobachtungskamera
vorgesehen sein, so dass eine Beleuchtung und/oder Aufnahme erfolgt,
wenn das entsprechende Projektionsmuster in dem Strahlengang zwischen
Beleuchtungseinheit und Objekt ausgerichtet ist.
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Für die Form
der Projektionsmuster sind verschiedene Varianten einzeln oder in
Kombination denkbar. Vorteilhaft ist, wenn die Projektionsmuster eine
Vielzahl sinusähnlicher
Kurvenverläufe
mit dunkel eingefärbten
Flächen
unterhalb der Sinusbögen, eine
Vielzahl gaußförmiger Kurvenverläufe mit
dunkel eingefärbten
Flächen
unterhalb der Gaußglocken,
eine Vielzahl parabelartiger Kurvenverläufe mit dunkel einge färbten Flächen unterhalb
der Parabelstücke,
eine Vielzahl zackenförmiger
Kurvenverläufe mit
dunkel eingefärbten
Flächen
unterhalb der Zacken, eine Vielzahl gefüllter aneinander gereihter Kreise,
eine Vielzahl gefüllter
aneinander gereihter Ellipsen, eine Vielzahl gefüllter aneinander gereihter Rauten,
eine Vielzahl gefüllter
aneinander gereihter Dreiecke und/oder eine Vielzahl gefüllter aneinander gereihter
Vielecke aufweisen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 Seitenansicht
einer Ausführungsform des
Projektors mit linearer Trägerverschiebung;
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2 Ausschnitt
eines Projektionsmusters mit schematischer Darstellung eines mit
Hilfe des bekannten Ditteringsverfahrens erzeugten Musters mit sinusförmigem Helligkeitsverlauf;
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3a Projektion
eines Projektionsmusters mit sinusförmigem Musterverlauf bei Stillstand
des Trägers;
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3b Projektion
des Projektionsmusters aus 3a bei
Bewegung des Trägers;
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4 Darstellung
einer beispielhaften Auswahl möglicher
Projektionsmuster;
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5 Draufsicht
auf eine lineare Ausführungsform
des Trägers;
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6 Draufsicht
auf eine lineare Ausführungsform
des Trägers
mit mehreren seitlich verschoben angeordneten Projektionsmustern;
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7 Seitenansicht
einer Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Projektionseinheit
mit rotierender Trägerbewegung.
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8a Draufsicht
auf eine runde Ausführungsform
des Trägers
mit mehreren Projektionsmustern;
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8b Vergrößerter Ausschnitt
der Draufsicht aus 8a.
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Die 1 lässt eine
Ausführungsform
des Projektors in der Seitenansicht erkennen. Der Projektor hat
einen linear beweglich in dem Projektor angeordneten Träger 1 mit einem
Projektionsmuster 2 auf seiner Oberfläche. In dem Projektor ist ein
Projektionsfenster 3 angrenzend an den Träger 1 vorgesehen,
um einen Teilbereich des Projektionsmusters 2 bei an dem
Projektionsfenster 3 vorbeibewegtem Träger 1 anzustrahlen.
Hierzu ist eine Beleuchtungseinheit 4 mit einer vorgesetzten
Linsenanordnung 5 so auf das Projektionsfenster 3 und
ein Objekt 6 ausgerichtet, dass der Teilbereich des Projektionsmusters 2 auf
das Objekt 6 projiziert wird. Das Projektionsfenster 3 für einen
Teilbereich des Projektionsmusters 2 befindet sich somit
im Strahlengang 7 zwischen der Beleuchtungseinheit 4 und
dem Objekt 6. Die Linsenanordnung 5 ist dabei
zur Auffächerung der
Projektionsstrahlen auf das Objekt 6 vorgesehen. Das Bild
des Objektes 6 mit dem aufprojizierten Projektionsmuster 2 wird
von einer Beobachtungskamera aufgenommen und in bekannter Weise
rechnergestützt
ausgewertet. Das Auswerteverfahren selbst ist nicht Gegenstand der
Erfindung und wird, da topometrische Messverfahren hinreichend bekannt
sind, im Folgenden nicht näher
erläutert.
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Die 2 zeigt
schematisch die Erzeugung eines sinusförmigen Helligkeitsverlaufs
mit Hilfe des bekannten Dittering-Verfahrens. Bei diesem Verfahren
setzen sich die einzelnen Projektionslinien des Projektionsmusters
jeweils wiederum aus feinen Linien zusammen, deren Dicken und Abstände so gewählt sind,
dass sich bei der Projektion z.B. ein sinusförmiger Helligkeitsverlauf ergibt.
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Die 3a verdeutlicht
ein beispielhaftes auf einen Träger
aufgebrachtes Projektionsmuster 2. Es sind eine Vielzahl
von dunkel eingefärbten
Sinus-Vollwellen erkennbar, die untereinander angeordnet sind. Der
obere Bereich über
der Sinuskurve ist hingegen transparent.
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Wie
in der 3b skizziert ist, entsteht bei einer
Bewegung des Trägers 1 während der
Belichtung durch den Projektor auf dem Objekt 6 eine Streifenstruktur.
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Die 4 zeigt
eine Auswahl möglicher Strukturen
für die
Projektionsmuster 2, die nach Bedarf einzeln oder in Kombination
genutzt werden können.
Analog zu dem in 3a gezeigten Beispiel für dunkel
eingefärbte
Sinus-Vollwellen, wird bei allen Varianten a) bis h) der Projektionsmuster 2,
auf dem Träger 1 eine
Vielzahl der entsprechenden Musterverläufe untereinander aufgebracht.
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Beispielhaft
ist in der 4 eine Auswahl von denkbaren
Einzelstrukturen gezeigt, und zwar:
- a) gefüllte Sinus-Vollwellen
- b) gefüllte
Gaußglocken
- c) gefüllte
Parabeln
- d) gefüllte
Zacken
- e) gefüllte
Kreise
- f) gefüllte
Ellipsen
- g) gefüllte
Rauten
- h) gefüllte
Dreiecke
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Die 5 lässt eine
Ausführungsform
eines Trägers 1 für die Linearverschiebung
im Projektor in der Draufsicht erkennen. Untereinander sind als
Projektionsmuster 2 beispielsweise eine Vielzahl von integrierten
Sinuskurven aufgetragen. Durch eine Verschiebung des Trägers 1 während der
Belichtungsphase werden die auf das Objekt 6 projizierten
Projektionsmuster 2 so unscharf, dass im Bild Streifen sichtbar
werden. Deshalb muss dass Projektionsmuster 2 größer als
das Projektionsfenster 3 ausgeführt sein.
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Die 6 lässt eine
andere Ausführungsform
eines Trägers 1 für die Linearverschiebung
im Projektor in der Draufsicht erkennen. Bei der Verschiebung des
Trägers 1 werden
nacheinander verschiedene Teilbereiche des Projektionsmusters 2a in das
Projektionsfenster 3 gebracht. Bei andauernder Verschiebung
werden nach einiger Zeit verschiedene Teilbereiche eines weiteren
Projektionsmusters 2b in das Projektionsfenster 3 gebracht.
Das Projektionsmuster 2b ist dabei derart gestaltet, dass
sich bei der Projektion eine zur Projektion des Projektionsmusters 2a entsprechend
des gewählten
topometrischen Messverfahrens abgestimmte verschobene Streifenstruktur
ergibt.
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Die 7 lässt eine
Ausführungsform
des Projektors mit rundem Träger 1,
d.h. einer Scheibe, in der Seitenansicht erkennen. Es wird deutlich,
dass der Träger 1 um
die Drehachse 8 rotierbar im Strahlengang 7 zwischen
der Beleuchtungseinheit 4 und der Linsenanordnung 5 angeordnet
ist. Wiederum wird der Projektor so ausgerichtet, dass ein Teilbereich
des Projektionsmusters 2 auf ein Objekt 6 projiziert
wird. Durch die Rotationsbewegung der Scheibe durchlaufen eine Vielzahl
von Einzelstrukturen des Projektionsmusters 2 das Projektionsfenster 3 und werden
als streifenförmiges
Muster mit einer gewünschten
Bewegungsunschärfe
auf dem Objekt 6 und in einem vom Objekt 6 aufgenommenen
Bild abgebildet.
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Die 8a lässt eine
runde Ausführungsform
des Trägers 1,
d.h. eine Scheibe in der Draufsicht erkennen. Auf einer Kreisbahn
sind eine Vielzahl von Projektionsmustern 2 auf der Scheibe 1 angeordnet.
Bei der Rotation der Scheibe um eine Drehachse 8 der Scheibe
werden die Projektionsmuster 2 nacheinander in ein Beobachtungsfenster 3 in
den Strahlengang 7 zwischen einer Beleuchtungseinheit 4 und
einem Objekt 6 gebracht. Die Einzelstrukturen der Projektionsmuster 2 liegen
auf Kreisbahnen, deren Mittelpunkt im Drehpunkt 8 der Scheibe
liegen sollte.
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Die 8b stellt
einen Teilbereich der 8a vergrößert dar. Dabei ist das Projektionsfenster 3 mit
dem bei Rotationsbewegung unter dem Projektionsfenster 3 hindurchbewegtem
Projektionsmuster 2 auf dem Träger 1 gut erkennbar.