DE202013010966U1

DE202013010966U1 - Vorrichtung zur 3-D-Vermessung einer Oberfläche und Projektionseinheit

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Publication number: DE202013010966U1
Application number: DE201320010966
Authority: DE
Original assignee: API International AG
Current assignee: Twinner GmbH
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2015-03-16
Anticipated expiration: 2023-12-12

Abstract

Vorrichtung zur 3-D-Vermessung einer Oberfläche (1), aufweisend eine Projektionseinheit (2) mit einem Laser (2.1) und mindestens einem diffraktiven optischen Element (2.2), wobei mittels der Projektionseinheit (2) ein Punktmuster (3) auf die Oberfläche (1) projizierbar ist, und aufweisend ein Stereokamerasystem (4), mittels dessen das Punktmuster (3) auf der Oberfläche (1) optisch erfassbar ist, sowie aufweisend eine Auswertungseinheit (5), mittels derer das optisch erfasste Punktmuster (3) auswertbar ist und mittels derer Raumkoordinaten der Punkte des Punktmusters (3) ermittelbar sind, wobei die Raumkoordinaten als Raumkoordinatendaten ausgebbar bereitstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Laser (2.1) und dem mindestens einen diffraktiven optischen Element (2.2) ein Ablenkungsmittel (2.3) angeordnet ist, wobei durch das Ablenkungsmittel (2.3) eine Ablenkung eines, durch den Laser (2.1) bereitgestellten, Laserstrahls (6) bewirkbar ist und wobei die Ablenkung veränderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur 3-D-Vermessung einer Oberfläche, insbesondere einer Fahrzeugkarosserie, sowie eine zugehörige Projektionseinheit zum Projizieren eines Punktmusters auf die Oberfläche.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen für optische 3-D-Vermessungsvorrichtungen bekannt.
Bei derartigen Vermessungsvorrichtungen wird in der Regel ein Farb- oder Linienmuster auf die zu vermessende Oberfläche projiziert, welches anschließend meist mittels Stereokameras erfasst wird und aus welchem abschließend die Oberflächentopologie der vermessenen Oberfläche berechnet wird. Der Nachteil derartiger Vorrichtungen liegt insbesondere in dem vergleichsweise hohen technologischen Aufwand zur Bereitstellung der Farb- oder Linienmuster sowie für die anschließende Auswertung der erfassten Muster.
Zudem sind aus dem Stand der Technik Vermessungsvorrichtungen bekannt, welche ein statisches Punktmuster auf die zu vermessende Oberfläche projizieren, welches ebenfalls mittels Stereokameras erfasst wird. Aus den erfassten Daten werden anschließend die Raumkoordinaten der Punkte auf der Oberfläche ermittelt und daraus deren Oberflächentopologie berechnet. Derartige Vorrichtungen weisen jedoch insbesondere den Nachteil auf, dass die maximale optische Auflösung der Menge der erfassten Punkte des Punktmusters entspricht. Eine beliebig enge Ausbildung des Punktmusters kann mit derartigen Vorrichtungen insbesondere deshalb nicht erfolgen, da für die, die Punkte des Punktmusters erfassenden, Stereokameras eine eindeutige Trennung der Punkte voneinander ermöglicht und damit ein entsprechender Mindestabstand zwischen den Punkten eingehalten werden muss.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur 3-D-Vermessung von Oberflächen bereitzustellen, welche mit geringem technischen Aufwand eine besonders hohe optische Auflösung und somit eine exakte Bereitstellung der Oberflächentopologie ermöglicht. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Projektionseinheit für eine eben solche Vorrichtung zur 3-D-Vermessung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird im Bezug auf die Vorrichtung zur 3-D-Vermessung durch die im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmale und im Bezug auf die Projektionseinheit durch die im Schutzanspruch 6 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich jeweils aus den Unteransprüchen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur 3-D-Vermessung einer Oberfläche, beispielsweise einer Oberfläche einer Fahrzeugs, weist eine Projektionseinheit mit einem Laser und mit mindestens einem diffraktiven optischen Element, nachfolgend auch abgekürzt als DOE bezeichnet, auf und ist erfindungsgemäß dazu in der Lage, ein Punktmuster auf die zu vermessende Oberfläche zu projizieren. Mittels des Lasers wird ein Laserstrahl bereitgestellt. Der Laser weist vorzugsweise ein optisches Element zur Bereitstellung eines parallelen Strahlenverlaufs auf. Das optische Element wird hierbei beispielsweise durch einen Kollimator gebildet. Nach dem optischen Element trifft der Laserstrahl auf das mindestens eine diffraktive optische Element und wird durch dieses so zerlegt, dass auf der Oberfläche ein Punktmuster projiziert wird.
Ferner weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur 3-D-Vermessung, nachfolgend auch nur als Vorrichtung bezeichnet, ein Stereokamerasystem, mittels dessen das auf die Oberfläche projizierte Punktmuster optisch erfassbar ist, sowie eine Auswertungseinheit, mit welcher das optisch erfasste Punktmuster auswertbar ist, auf. Das Punktmuster liegt hierbei vorzugsweise als regelmäßiges Punktmuster vor, was insbesondere den Vorteil bietet, dass ein Kontrast zwischen der Farbe und/oder der Textur der Oberfläche möglichst groß eingestellt werden kann und somit eine optische Bilderfassung mit eindeutigen Werten ermöglicht wird.
Die Auswertungseinheit ist erfindungsgemäß dazu in der Lage, die Raumkoordinaten der Punkte des optisch erfassten Punktmusters zu ermitteln und die Raumkoordinaten als Raumkoordinatendaten ausgebbar bereitszustellen. Aus den bereitgestellten Raumkoordinatendaten wird anschließend, in der Auswertungseinheit selbst oder in einer, der Auswertungseinheit zugeordneten, Datenverarbeitungseinheit die Topologie der Oberfläche erstellt und für eine weitere Verarbeitung verfügbar gemacht.
Zudem ist die Auswertungseinheit erfindungsgemäß mit den Stereokameras und vorzugsweise ebenso mit der Projektionseinheit verbunden. Durch die Verbindung mit der Projektionseinheit wird es ermöglicht, dass beispielsweise das Ablenkungsmittel oder der Laser über die Auswertungseinheit angesteuert werden können. Die Auswertungseinheit stellt in diesem Fall gleichzeitig eine Steuerungseinheit für die Vorrichtung zur 3-D-Vermessung dar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur 3-D-Vermessung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Laser und dem mindestens einen diffraktiven optischen Element ein Ablenkungsmittel angeordnet ist. Durch das Ablenkungsmittel ist erfindungsgemäß eine Ablenkung des Laserstrahls bewirkbar, wobei die Ablenkung mittels des Ablenkungsmittels veränderlich ist.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist auf als besonderer Vorteil auf sehr einfache Weise eine zeitlich versetzte Mehrfachprojektion des Punktmusters auf der zu vermessenden Oberfläche bereitstellbar. Innerhalb einer solchen Mehrfachprojektion wird durch die Vorrichtung in einem ersten Projektions- und Erfassungsvorgang ein Punktmuster auf die Oberfläche projiziert und anschließend die Punkte auf der Oberfläche mittels des Stereokamerasystems erfasst und deren Raumkoordinaten ermittelt. Die Raumkoordinaten des ersten Projektions- und Erfassungsvorgangs werden ferner als erster Raumkoordinatendatensatz bereitgestellt.
In einem anschließenden, zweiten Projektions- und Erfassungsvorgang wird dann erneut ein Punktmuster auf die Oberfläche projiziert, wobei in dem zweiten Projektions- und Erfassungsvorgang der Laserstrahl durch das Ablenkungsmittel so abgelenkt wird, dass die Punkte des Punktmusters des zweiten Projektions- und Erfassungsvorgangs eine andere Position auf der zu vermessenden Oberfläche einnehmen als die Punkte des Punktemusters des ersten Projektions- und Erfassungsvorgangs. Die Raumkoordinaten der Punkte des zweiten Projektions- und Erfassungsvorgangs werden ebenfalls ermittelt und als zweiter Raumkoordinatendatensatz bereitgestellt. Optional können analog weitere Projektions- und Erfassungsvorgänge mittels weiterer Ablenkungen zur Bereitstellung weiterer Raumkoordinatendatensätze durchgeführt werden. Mindestens zwei bereitgestellte Raumkoordinatendatensätze bilden erfindungsgemäß die Basis für die im Ergebnis zur Verfügung gestellte Topologie der vermessenen Oberfläche.
Auf diese Weise wird es als besonderer Vorteil der Erfindung ermöglicht, die optische Auflösung der Punkte auf der zu vermessenden Oberfläche gegenüber herkömmlichen Lösungsansätzen deutlich zu erhöhen und somit eine genauere Topologie der vermessenen Oberfläche zur Verfügung zu stellen. Durch die vorgenommene Mehrfachprojektion wird zudem als weiterer Vorteil ein unerwünschtes Ineinanderübergehen einzelner Punkte des Punktemusters vermieden, sodass jeder projizierte Punkt exakt durch das Stereokamerasystem erfasst werden kann.
Vorzugsweise können dem zweiten Projektions- und Erfassungsvorgang weitere Projektions- und Erfassungsvorgänge folgen, wobei durch die Mehrzahl der bereitgestellten Raumkoordinatendatensätze die Genauigkeit der Topologie der Oberfläche weiter verbessert werden kann.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt insbesondere darin, dass die Mehrfachprojektion durch das Ablenkungsmittel technologisch besonders unkompliziert und insbesondere ohne eine Verdrehung oder Lageänderung des mindestens einen diffraktiven Elements oder der gesamten Vorrichtung bereitgestellt werden kann. Insbesondere kann die Lagebeziehung zwischen dem Laser und dem mindestens einem DOE unverändert bleiben, womit besondere Vorteile in Bezug auf die Justierung verbunden sind.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Vermessung von Fahrzeugkarosserien, beispielsweise im Zuge einer Schadensanalyse, wobei mittels der Vorrichtung die Oberfläche der Fahrzeugkarosserie vermessen und die aus den Raumkoordinatendaten bereitgestellte Oberflächentopographie mit einem vorhandenen Idealmodell der Oberfläche abgeglichen wird.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Ablenkungsmittel ein lageveränderliches Prisma auf. Das Prisma ist hierbei in einer entsprechenden Aufnahmevorrichtung angeordnet, welche beispielsweise ein Verschieben oder ein Drehen des Prismas relativ zu dem Laserstrahl und somit die erfindungsgemäße Anpassung der Ablenkung des Laserstrahls ermöglicht.
Der besondere Vorteil der Ausbildung des Ablenkungsmittels als lageveränderliches Prisma besteht insbesondere in dessen Einfachheit und den jeweils im Vorfeld berechenbaren Ablenkungseigenschaften des Prismas in dessen jeweiliger Lageposition. Somit können in erster Linie der technologische Aufwand und die Kosten für die Bereitstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung niedrig gehalten werden. Gleichzeitig kann durch die variable Anordnung des Prismas eine entsprechend große Anzahl an Mehrfachprojektionen realisiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Variante der Erfindung sieht vor, dass das Ablenkungsmittel durch eine Prismenanordnung gebildet wird. Eine solche Prismenanordnung weist im Wesentlichen eine Mehrzahl Prismen mit unterschiedlichen Ablenkungseigenschaften sowie eine drehbare Scheibe, auf welcher die Prismen stationär angeordnet sind, auf.
Die drehbare Scheibe ist gegenüber dem Laser derart angeordnet, dass je nach gewünschtem Ablenkungsgrad das entsprechende Prisma in den Laserstrahl gedreht werden kann. Zudem kann, je nach Anordnung der Prismen auf der drehbaren Scheibe, das Eindrehen des jeweils erforderlichen Prismas in den Laserstrahl so variiert werden, dass der Laserstrahl das Prisma in einem vorher festgelegten Punkt durchdringt.
Durch die Ausbildung des Ablenkungsmittels als Prismenanordnung kann somit in einfacher Weise die Variabilität des Ablenkungsmittels und die Anzahl möglicher Mehrfachprojektionen bereitgestellt werden.
Ferner sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass das Ablenkungsmittel durch einen, um eine Drehachse drehbaren, Spiegel gebildet wird, dessen Spiegelfläche nicht orthogonal zu der Drehachse ausgerichtet ist. Der Spiegel ist somit in der Lage, mit seiner Spiegelfläche gegenüber dem Laserstrahl eine anpassbare Winkelstellung einzunehmen, sodass die gewünschte Ablenkung des Laserstrahls in diesem Fall durch die entsprechend einzustellende Winkelstellung des Spiegels bewirkt wird.
Der technologische Vorteil der hier aufgeführten Weiterbildung liegt insbesondere in der Einfachheit und der unkomplizierten und günstigen Bereitstellung des Spiegels, wodurch die Bereitstellungskosten für die gesamte Vorrichtung zur 3-D-Vermessung gering gehalten werden können.
In einer besonders vorteilhaften Ausbildung wird das Ablenkungsmittel durch eine Flüssiglinse gebildet. Die Flüssiglinse weist hierbei insbesondere den techologischen Vorteil auf, dass diese eine elektrisch variierbare Brennweite bereitstellt und somit eine besonders exakte Einstellung der gewünschten Ablenkungseigenschaften ermöglicht wird. Zudem sind keine mechanischen Verstellmittel erforderlich, so dass als besonderer Vorteil Verschleiß- und mechanische Justieraufwendungen entfallen.
Zudem können Flüssiglinsen sehr klein ausgebildet werden, sodass diese innerhalb der Vorrichtung nur einen geringen Platzbedarf benötigen.
Als weiterer Vorteil weisen Flüssiglinsen eine schnelle Reaktionszeit und einen geringen Energieverbrauch auf. Insbesondere durch die schnelle Reaktionszeit ermöglicht ein als Flüssiglinse ausgebildetes Ablenkungsmittel einen besonders schnellen Vermessungsvorgang, wobei die Mehrfachprojektionen in vergleichsweise kurzen Zeitabständen nacheinander durchgeführt werden können.
Eine erfindungsgemäße Projektionseinheit, insbesondere zur Anwendung innerhalb einer Vorrichtung zur 3-D-Vermessung, weist einen Laser und mindestens ein diffraktives optisches Element auf und ist dazu in der Lage, ein Punktmuster auf eine Oberfläche, insbesondere eine zu vermessende Oberfläche, zu prijizieren.
Die Projektionseinheit zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass zwischen dem Laser und dem mindestens einen diffraktiven optischen Element ein Ablenkungsmittel angeordnet ist, mittels dessen eine Ablenkung des Laserstrahls in eine gewünschte Richtung bewirkbar ist.
Die Ablenkung ist zudem besonders vorteilhaft veränderlich, indem beispielsweise das Ablenkungsmittel relativ zu dem Laserstrahl in dessen Lageposition angepasst wird.
Das Ablenkungsmittel einer erfindungsgemäßen Projektionseinheit kann vorliegend verschiedenartig bereitgestellt werden, wobei für die einzelnen Ausführungsvarianten des Ablenkungsmittels auf die Ansprüche 2 bis 5 und die dort offenbarten Merkmale verwiesen wird, welche in gleichem Maße für das Ablenkungsmittel einer erfindungsgemäßen Projektionseinheit gelten.
Mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Verfahren zur 3-D-Vermessung durchführbar, welches die nachfolgenden Verfahrensschritte aufweist:

a) Bereitstellen einer ersten Ablenkung des Laserstrahls durch das Ablenkungsmittel,
b) erste Projektion eines Punktmusters auf die Oberfläche mittels der Projektionseinheit,
c) erste Erfassung des Punktmusters auf der Oberfläche mittels des Stereokamerasystems sowie Bilden eines ersten Bilddatensatzes und Übertragung des ersten Bilddatensatzes an die Auswertungseinheit,
d) Bereitstellen einer zweiten Ablenkung des Laserstrahls durch das Ablenkungsmittel,
e) zweite Projektion eines Punktmusters auf die Oberfläche mittels der Projektionseinheit, wobei der Laserstrahl durch die, durch das Ablenkungsmittel bereitgestellte, zweite Ablenkung derart abgelenkt wird, dass die Position des Punktmusters der zweiten Projektion gegenüber der Position des Punktmusters der ersten Projektion verschoben ist,
f) zweite Erfassung des Punktmusters auf der Oberfläche mittels des Stereokamerasystems sowie Bilden eines zweiten Bilddatensatzes und Übertragen des zweiten Bilddatensatzes an die Auswertungseinheit,
g) Ermitteln der Raumkoordinaten der Punkte der Punktmuster aus dem ersten und zweiten Bilddatensatz durch die Auswertungseinheit,
h) Zusammenführen der Raumkoordinaten in einen gemeinsamen Raumkoordinatendatensatz,
i) Bereitstellen der Topologie der Oberfläche aus dem gemeinsamen Raumkoordinatendatensatz.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf dem Prinzip der Mehrfachprojektion, wobei vorliegend mindestens zwei nacheinander durchzuführende Projektions- und Erfassungsvorgänge erfolgen. Der erste Projektions- und Erfassungsvorgang umfasst vorliegend die Verfahrensschritte a) bis c), während der zweite Projektions- und Erfassungsvorgang die Verfahrensschritte d) bis f) umfasst.
In dem ersten Verfahrensschritt a) wird eine erste Ablenkung des, durch den Laser der Projektionseinheit bereitgestellten, Laserstrahls durch das Ablenkungsmittel bereitgestellt. Die Bereitstellung der ersten Ablenkung erfolgt beispielsweise durch eine entsprechende Ausrichtung des Ablenkungsmittels gegenüber dem Laserstrahl oder durch eine entsprechende Positionierung des Ablenkungsmittels in dem Strahlengang des Laserstrahls.
Anschließend erfolgt in Verfahrensschritt b) mittels der Projektionseinheit die erste Projektion des Punktmusters auf die zu vermessende Oberfläche, wobei die Position des Punktmusters durch die erste Ablenkung des Ablenkungsmittels festgelegt wird.
Das projizierte Punktmuster der erste Projektion wird anschließend in Verfahrensschritt c) durch das Stereokamerasystem optisch erfasst und aus den optisch erfassten Daten ein erster Bilddatensatz gebildet, welcher anschließend von dem Stereokamerasystem an die Auswertungseinheit übertragen wird.
An den Verfahrensschritt c) schließt sich der zweite Projektions- und Erfassungsvorgang an, wobei in dem folgenden Verfahrensschritt d) eine zweite Ablenkung des Laserstrahls durch das Ablenkungsmittel bereitgestellt wird. Die Bereitstellung der zweiten Ablenkung erfolgt beispielsweise durch Anpassen der Ausrichtung des Ablenkungsmittels gegenüber dem Laserstrahl und ist erfindungsgemäß verschieden zu der ersten Ablenkung des Ablenkungsmittels.
In Verfahrensschritt e) erfolgt dann eine zweite Projektion eines Punktmusters auf die zu vermessene Oberfläche, wobei in diesem Fall der Laserstrahl durch die durch das Ablenkungsmittel bereitgestellte zweite Ablenkung, welche sich von der ersten Ablenkung unterscheidet, in der Weise abgelenkt wird, dass die Position des Punktmusters der zweiten Projektion gegenüber der Position des Punktmusters der ersten Projektion verschoben ist.
Im anschließenden Verfahrensschritt f) erfolgen die zweite optische Erfassung des Punktmusters auf der Oberfläche mittels des Stereokamerasystems sowie das Bilden eines zweiten Bilddatensatzes aus den optisch erfassten Daten. Der zweite Bilddatensatz wird anschließend ebenfalls von dem Stereokamerasystem an die Auswertungseinheit übertragen.
Aus dem ersten und zweiten Bilddatensatz ermittelt die Auswertungseinheit in Verfahrensschritt g) die Raumkoordinaten der Punkte des Punktmusters auf der Oberfläche. Die Ermittlung der Raumkoordinaten kann hierbei sowohl separat für jeden Bilddatensatz in Echtzeit oder zusammengefasst für beide Bilddatensätze nach Übertragung des zweiten Bilddatensatzes erfolgen.
Die ermittelten Raumkoordinaten werden anschließend in Verfahrensschritt h) in einen gemeinsamen Raumkoordinatendatensatz zusammengeführt, aus welchem abschließend in Verfahrensschritt i) die Topologie der Oberfläche bereitgestellt wird.
Alternativ können sich nach Verfahrensschritt i) weitere Projektions- und Erfassungsvorgänge anschließen, in welchen die Ablenkung des Laserstrahls durch das Ablenkungsmittel weiter angepasst ist und durch welche eine noch höhere Informationsdichte über die Beschaffenheit und Topologie der zu vermessenden Oberfläche bereitgestellt werden kann.
Wie bereits zu den Ansprüchen 2 bis 5 ausgeführt, kann das Ablenkungsmittel der Projektionseinheit durch verschiedene optische Mittel gebildet werden.
Wird das Ablenkungsmittel gemäß dem Anspruch 2 durch ein lageveränderliches Prisma gebildet, so erfolgen die Verfahrensschritte a) und d) durch eine entsprechende Anpassung der Position oder der Ausrichtung des Prismas gegenüber dem Laserstrahl.
Für den Fall, dass das Ablenkungsmittel gemäß Anspruch 3 durch eine Prismenanordnung gebildet wird, erfolgen die Verfahrensschritte a) und d) durch Eindrehen des jeweiligen, für die notwendige Ablenkung geeigneten, Prismas in den Laserstrahl.
Wird das Ablenkungsmittel, wie im Anspruch 4 aufgeführt, durch einen, um eine Drehachse drehbaren, Spiegel gebildet, so erfolgen die Verfahrensschritte a) und d) durch Anpassen der Ausrichtung des Spiegels gegenüber dem Laserstrahl.
Demgegenüber erfolgen die Verfahrensschritte a) und d) für den Fall, dass das Ablenkungsmittel gemäß Anspruch 5 durch eine Flüssiglinse gebildet wird, durch Variieren der Brennweite der Flüssiglinse.
Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
1 vereinfachte Prinzipdarstellung Vorrichtung zur 3-D-Vermessung
2a Detaildarstellung Projektionseinheit mit nach links abgelenktem Laserstrahl
2b Detaildarstellung Projektionseinheit mit nach rechts abgelenktem Laserstrahl näher erläutert.
1 zeigt eine vereinfachte Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur 3-D-Vermessung, insbesondere zur Vermessung einer Oberfläche 1, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Oberfläche eines Abschnitts einer Fahrzeugkarosserie ausgebildet ist und welche eine lokale Schadstelle 1.1 aufweist. Das Ziel der mittels der Vorrichtung durchzuführenden 3-D-Vermessung besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel darin, die Schadstelle 1.1 der Oberfläche 1 in deren Ausmaßen vollständig zu erfassen, um anschließend eine Aussage darüber ableiten zu können, welche Instandsetzungsmaßnahmen zur Beseitigung der Schadstelle 1.1 vorgenommen und welche Instandsetzungskosten kalkuliert werden müssen.
Die Vorrichtung zur 3-D-Vermessung der Oberfläche 1 weist eine Projektionseinheit 2, mit welcher ein Punktmuster 3 auf die Oberfläche 1 projizierbar ist, ein Stereokamerasystem 4, aufweisend eine erste Stereokamera 4.1 und eine zweite Stereokamera 4.2, sowie eine Auswertungseinheit 5, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der Projektionseinheit 2 und dem Stereokamerasystem 4 verbunden ist, auf.
Die Projektionseinheit 2 weist erfindungsgemäß einen Laser 2.1 zur Erzeugung eines Laserstrahls 6, ein diffraktives optisches Element 2.2, nachfolgend auch abgekürzt als DOE beschrieben, sowie ein Ablenkungsmittel 2.3 auf, welches im Strahlengang zwischen dem Laser 2.1 und dem DOE 2.2 angeordnet ist und mit welchem der Laserstrahl 6 in einem definierten Maß ablenkbar ist, bevor dieser auf das DOE 2.2 trifft. Wie in 1 dargestellt, kann der Laserstrahl 6 zum besseren Verständnis in zwei Teile 6.1 und 6.2 unterteilt werden, wobei der erste Teil 6.1 den Laserstrahl vor dem Ablenken und der zweite Teil 6.2 den Laserstrahl nach dem Ablenken beschreiben.
Das diffraktive optische Element 2.2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel so ausgebildet, dass durch dieses der Laserstrahl 6 in mehrere Teilstrahlen 6.3 zerlegt wird, wobei durch die Teilstrahlen 6.3 die Punkte des Punktmusters auf der Oberfläche 1 erzeugt werden.
Das Stereokamerasystem 4 ist erfindungsgemäß dazu in der Lage, die Punkte des Punktmusters 3 auf der Oberfläche 1 optisch zu erfassen und die Lage der Punkte als optische Daten bereitzustellen. Die optischen Daten des Stereokamerasystems 4 werden anschließend an die Auswertungseinheit 5 übertragen, welche ihrerseits dazu in der Lage ist, aus den optischen Daten Raumkoordinaten der optisch erfassten Punkte zu ermitteln und diese als Raumkoordinatendaten für eine weitere Verarbeitung bereitzustellen. Aus den Raumkoordinatendaten wird anschließend in der Auswertungseinheit 5 selbst oder in einer externen Datenverarbeitungs- und Anzeigeeinheit (nicht dargestellt) die Topoligie der vermessenen Oberfläche 1 ermittelt und verfügbar gemacht. Aus der Topologie sind vorliegend die Ausmaße und die Beschaffenheit der Schadstelle 1.1 ermittelbar, sodass entsprechende Angaben zu den notwendigen Instandsetzungsmaßnahmen und den zu erwartenden Instandsetzungskosten abgeleitet werden können.
Die Funktionsweise eines vorliegend zur Anwendung kommenden Stereokamerasystems 4, insbesondere hinsichtlich der Möglichkeit, Tiefeninformationen der Oberfläche 1 zu erfassen, ist dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt und wird somit vorliegend nicht detailliert ausgeführt.
Der besondere technologische Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in der Ablenkbarkeit des Laserstahls 6 durch das Ablenkungsmittel 2.3, wobei die Ablenkung, beispielsweise durch eine Lage- oder Ausrichtungsanpassung des Ablenkungsmittels 2.3 relativ zu dem Laserstrahl 6, veränderbar ist. In der vorliegenden 1 wird die veränderliche Ablenkung des Laserstrahls 6 zur Veranschaulichung durch gestrichelte Kreisbogenlinien dargestellt.
Die veränderbare Ablenkung des Laserstrahls 6 ermöglicht auf besonders vorteilhafte Art und Weise eine besonders unkomplizierte Durchführung einer Mehrfachprojektion des Punktmusters 3 auf der Oberfläche 1.
Unter einer Mehrfachprojektion wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel verstanden, dass beispielsweise in einem ersten Projektions- und Erfassungsvorgang der Laserstrahl 6 durch das Ablenkungsmittel 2.3 in eine vorher festgelegte Richtung abgelenkt wird und anschließend durch das DOE 2.2 in seine Teilstrahlen 6.3 zerlegt wird, durch welche ein erstes Punktmuster 3 auf der Oberfläche 1 erzeugt wird. Die Punkte des ersten Punktmusters 3 werden anschließend durch das Stereokamerasystem 4 erfasst und auf die oben beschriebene Art und Weise durch die Auswertungseinheit 5 als erster Raumkoordinatendatensatz bereitgestellt. Anschließend wird in einem zweiten Projektions- und Erfassungsvorgang die Lageposition des Ablenkungsmittels 2.3 angepasst, sodass der Laserstrahl 6 in eine festgelegte Richtung, welche sich gegenüber der Richtung des Laserstrahls 6 in dem ersten Projektions- und Erfassungsvorgang unterscheidet, abgelenkt wird. Der abgelenkte Laserstrahl 6.2 trifft anschließend auf das DOE 2.3 und wird durch dieses ebenfalls in seine Teilstrahlen 6.3 zerlegt. Durch diese Teilstrahlen wird ein weiteres Punktmuster 3 auf der Oberfläche 1 erzeugt, wobei dessen Punkte, gegenüber den Punkten des Punktmusters 3 aus dem ersten Projektions- und Erfassungsvorgang, versetzt oder anderweitig verändert sind. Die Punkte des Punktmusters 3 des zweiten Projektions- und Erfassungsvorgangs werden ebenfalls durch das Stereokamerasystem 4 erfasst und hieraus, durch die Auswertungseinheit 5, ein zweiter Raumkoordinatensath bereitgestellt.
Der erste und der zweite Raumkoordinatensatz werden anschließend, vorzugsweise durch die Auswertungseinheit 5, zusammengeführt und daraus die Topologie der vermessenen Oberfläche 1, inklusive der Schadstelle 1.1, bestimmt. Aufgrund der Mehrfachprojektion gemäß dem obenstehenden Ablauf ist hierbei eine doppelte optische Auflösung der optischen Daten bereitstellbar, ohne dass es zu einer unerwünschten Überlagerung einzelner Punkte der Punktemuster 3 infolge unzureichender Trennschärfe kommt. Eine eventuelle Verfälschung der Vermessungsergebnisse durch sich überlagernde Punkte der Punktmuster 3, welche durch das Stereokamerasystem 4 nicht exakt erfasst werden können, sind somit auf besonders effektive Weise vermeidbar.
Zudem bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung zur 3-D-Vermessung den besonderen Vorteil, dass lediglich das Ablenkungsmittel 2.3 lageveränderlich angeordnet sein muss. Somit kann auf ein Verdrehen des diffraktiven optischen Elements 2.2 oder der gesamten Projektionseinheit 2 verzichtet werden.
Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung besteht darin, dass als Ablenkungsmittel 2.3 insbesondere einfache optische Elemente, wie beispielsweise ein Prisma, angewandt werden können, deren Beugungs- und Brechungseigenschaften bekannt sind. Auf diese Weise kann besonders einfach die gewünschte Ablenkung des Laserstrahls 6 durch Verändern der Lageposition des Ablenkungsmittels 2.3 eingestellt und in Verbindung mit den bekannten und stets gleichbleibenden optischen Eigenschaften des diffraktiven optischen Elements 2.2 so die Position des Punktmusters 3 auf der Oberfläche 1 vorherbestimmt werden. In diesem Zusammenhang ist es erfindungsgemäß auch möglich, den ersten Projektions- und Erfassungsvorgang ohne das Ablenkungsmittel 2.3 durchzuführen und das Ablenkungsmittel 2.3 erst in dem zweiten Projektions- und Erfassungsvorgangs in dem Laserstrahl 6 zu positionieren.
Die 2a und 2b zeigen eine detaillierte Ansicht einer erfindungsgemäßen Projektionseinheit 2, insbesondere zur Anwendung in einer Vorrichtung zur 3-D-Vermessung einer Oberfläche.
Die Projektionseinheit 2 weist, wie bereits im Zusammenhang mit 1 aufgeführt, einen Laser 2.1, ein diffraktives optisches Element 2.2 und ein Ablenkungsmittel 2.3 auf. Zudem zeigen 2a und 2b eine Variante der Projektionseinheit 2 mit einem Kollimator 2.4, welcher dem Laser 2.1 zugeordnet ist und durch welchen ein, durch den Laser 2.1 erzeugter, Laserstrahl 6 in einen parallelen Strahlengang gezwungen wird.
2a zeigt einen Betriebszustand der Projektionseinheit 2, in welcher das Ablenkungsmittel 2.3 so ausgerichtet ist, dass der Laserstrahl 6 nach links abgelenkt wird und somit der abgelenkte Laserstrahl 6.2 auf den linken Bereich des DOE 2.2 trifft. Der hier gezeigte Betriebszustand wird beispielsweise in dem ersten Projektions- und Erfassungsvorgang eingestellt.
Demgegenüber ist in einem zweiten Betriebszustand der Projektionseinheit 2 gemäß 2b das Ablenkungsmittel 2.3, beispielsweise durch Verdrehen, in seiner Lageposition gegenüber dem Laserstrahl 6 so verändert, dass dieser nun nach rechts abgelenkt wird und somit der abgelenkte Laserstrahl 6.2 auf den rechten Bereich des DOE 2.2 trifft. Der hier gezeigte Betriebszustand wird beispielsweise in dem, sich an den ersten Projektions- und Erfassungsvorgang anschließenden, zweiten Projektions- und Erfassungsvorgang eingestellt.
Zur besseren Veranschaulichung sind die Ablenkungen des Laserstrahls 6 jeweils überhöht dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Oberfläche
1.1: Schadstelle
2: Projektionseinheit
2.1: Laser
2.2: diffraktives optisches Element
2.3: Ablenkungsmittel
2.4: Kollimator
3: Punktmuster
4: Stereokamerasystem
4.1: erste Stereokamera
4.2: zweite Stereokameras
5: Auswertungseinheit
6: Laserstrahl
6.1: Laserstrahl vor der Ablenkung
6.2: Laserstrahl nach der Ablenkung
6.3: Teilstrahlen des Laserstrahls

Claims

Vorrichtung zur 3-D-Vermessung einer Oberfläche (1), aufweisend eine Projektionseinheit (2) mit einem Laser (2.1) und mindestens einem diffraktiven optischen Element (2.2), wobei mittels der Projektionseinheit (2) ein Punktmuster (3) auf die Oberfläche (1) projizierbar ist, und aufweisend ein Stereokamerasystem (4), mittels dessen das Punktmuster (3) auf der Oberfläche (1) optisch erfassbar ist, sowie aufweisend eine Auswertungseinheit (5), mittels derer das optisch erfasste Punktmuster (3) auswertbar ist und mittels derer Raumkoordinaten der Punkte des Punktmusters (3) ermittelbar sind, wobei die Raumkoordinaten als Raumkoordinatendaten ausgebbar bereitstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Laser (2.1) und dem mindestens einen diffraktiven optischen Element (2.2) ein Ablenkungsmittel (2.3) angeordnet ist, wobei durch das Ablenkungsmittel (2.3) eine Ablenkung eines, durch den Laser (2.1) bereitgestellten, Laserstrahls (6) bewirkbar ist und wobei die Ablenkung veränderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkungsmittel (2.3) durch ein lageveränderliches Prisma aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkungsmittel (2.3) durch eine Prismenanordnung aufweist, wobei die Prismenanordnung eine Mehrzahl Prismen mit unterschiedlichen Ablenkungseigenschaften sowie eine drehbare Scheibe, auf welcher die Prismen angeordnet sind, aufweist, und wobei mittels der drehbaren Scheibe jeweils ein Prisma in dem Laserstrahl (6) anordenbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkungsmittel (2.3) einen, um eine Drehachse drehbaren, Spiegel aufweist, wobei die Spiegelfläche nicht orthogonal zu der Drehachse ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkungsmittel (2.3) durch eine Flüssiglinse aufweist.
Projektionseinheit (2), aufweisend einen Laser (2.1) und mindestens ein diffraktives optisches Element (2.2), wobei durch die Projektionseinheit (2) ein Punktmuster (3) auf eine Oberfläche (1) projizierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Laser (2.1) und dem mindestens einen diffraktiven optischen Element (2.2) ein Ablenkungsmittel (2.3) angeordnet ist, wobei durch das Ablenkungsmittel (2.3) eine Ablenkung eines, durch den Laser (2.1) bereitgestellten, Laserstrahls (6) bewirkbar ist und wobei die Ablenkung veränderlich ist.