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Verfahren und Gerät zur berührungslosen Vermessung von Objektkonturen
Die Erfindung beirifft ein Verfahren und ei.n Gerät zur berührungslosen Vermessung
von Objektkonturen, wobei durch Beleuchtung mit kohärentem Licht ein räumliches
Interferenzfeld und dadurch auf dem Objekt ein Interferenzstreifennuster erzeugt
wird.
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Die Bestimmung der Oberflachengestalt beliebiger Objekte bzw.
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die Darstellung von Höhenschichtlinien dreidimensionaler Gegenstände
sind überall da von Interesse, wo von einem Modell eines Erzeugnisses Werkzeichnungen,
Lehren sowie Gießformen für die Serienherstellung angefertigt oder Steuersignale
für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen gewonnen werden sollen. Die Verwendung
von mechanischen oder induktiven Meßfühlern zur Kontur@ermessung erfordert wegen
der punktweisen Abtastung einen hohen zeitlichen Aufwand und erweist sich bei großen
Objekten als ungeeignet. Optisch-interferometrische Methoden dagegen gestatte@ berührungsfrei
ein direktes Höhensd@i chtlinienbild des zu vermessenden Gegenstandes herzustellen
Es
ist bekannt, durch Beleuchtung mit kohärentes Licht aus zwei punktförmigen Lichtqueller
ein räumliches Interferenzfeld zu erzeugen, in das der zu vermessende Gegenstand
eingebracht wird. Er erscheint dann von einem System heller und dunkler Streifen
übersogen, die Schnitte der Objektoberfläche mit den räumlichen Kurvenscharen des
Interferenzfeldes darstellen. Entsteht das Winter ferenzfeld z. B. durch Überlagerung
zweier ebener Wellen, so sind die Interferenzstreifen auf dem Gegenstand die Schnittkurven
von zueinander parallelen äquidistanten Ebenen mit der Objektoberfläche, während
bei Verwendung zweier Kugelwellen die Interferenzen auf dem Gegenstand die Schnittkurven
von Ratationshyperboloiden mit der Objektoberfläche sind. Bei Kenntnis der optischen
Anordnung kann aus diesen @nter@erogrammen der Abstand jedes Oberflächenpunktes
von einer Bezugsebene mit großer Genauigkeit angegeben werden Es sind verschiedene
holographische Methoden zur Erzeugung von Interferenzmustern als Höhenschichtlinien
räumlicher Objekte bekannt. Sie beruhen alle darauf, daß der zu vermessende Gegen
stand zweimal nacheinander mit kohärentem Licht beleuchtet wirdt wobei während jeder
der beiden Teilbeleuchtungen auf einer einzigen Hologrammplatte ein Hologramm des
Gegenstandes angefertigt wird. Die Lictitwellen für die beiden Teilbeleuchtungen
unterscheiden sich dabei entweder durch ihre Wellenlänge oder ihre Phase. Bei der
Holograrnrnrekonstruktion erhält man dann ein Bild des von Interferenzlinien überzogenen
Gegenstandes.
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Die-prinzipiellen Nachteile dieser bekannten interferometrischen und
holographisch-interferometrischen Verfahren liegen darin, daß sie nur unter erheblichem
experimentellem Aufwand in einem den All forderungen der Interferometrie und Holographie
entsprechenden Labor durchgeführt werden können. Für jede Vermessung ist ein vollständiges,
-empfindliches Interferometer oder eine komplette Holographie-Anordnung notwendig,
an die extreme Stabilitätsanforderun gen zu stellen sind. So müssen z. B. die optischen
Wege im Interferometer- bzw. im Holographie-Aufbau auf Bruchteile einer Wellenlänge
konstant bleiben Das gelingt nur mit stabilen Holographie-Tischen und massiven,
erschütterungsfreien Aufbauten, von denen mechanische und thermische Störungen,
z. B. durch laufende Maschinen, L@ftschlieren usw.) ferngehalten werden müssen.
Weiterhin sind für die klassischen Interferometer hochpräzise Spiegel und Strahlenteiler
erforderlich. Durch die genannten Störeinflüsse werden möglicherweise nicht vorhandene
Formabweichungen vorgetauscht oder auch vorhandene Abweichungen nicht erkannt, wenn
nicht evtl. sogar die Vermessung bzw. der Vergleich von Untersuchungs-Objekten gänzlich
unmöglich gemacht wird.
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Um die bei den bekannten Methoden auftretenden Schwierigkeiten und
Nachteile zu vermeiden, ist schon vorgeschlagen worden, den zu vermessenden Gegenstand
in ein durch die Rekonstruktion eines Hologrammes, in dem wenigstens zwei Lichtquellen
gespeichert sind, erzeugtes räumliches Interferenzfeld zu bringen. Bei der Rekonstruktion
der in dem Hologramm gespeicherten Lichtquellen werden die von den virtuellen Bildern
dieser Lichtquellen ausgehenden Wellen gleichzeitig freigesetzt und bilden durch
Interferenz
das gewünschte räumliche Interferenzfeld, in das dann
der zu vermessende Gegenstand eingebracht wird. Sind z. B. im Hologramm zwei Punktlichtquellen
gespeichert, so entsteht bei der Rekonstruktion durch die Interferenz der beiden
freigesetzten sphärischen Wellen ein räumliches Interferenzfeld in Form einer Schar
von Rotationshyperboloiden.
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Nach dem Vorschlag ist zur Erzeugung von Interferenzmustern, insbesondere
zur Erzeugung von Höhenschichtlinien zur Konturvermessung, nur ein in geeigneter
Weise hergestelltes Hologramm nötig, das mit monochromatischem Licht beleuchtet
wird Es entfallen also die bei den bisherigen bekannten Methoden notwendigen, sehr
umfangreichen und störanfälligen Interferometer- bzw. Holographie-Aufbauten. Es
kann dabei ein Phasen-Hologramm oder ein Amplituden-Hologramm Verwendung finden.
Insbcsondere sind stabile, Schwingungsisolierte Holographie-Tische bei der Vermessung
unnötig und es kann mit einem Minimum von optischen Komponenten gearbeitet werden,
so daß die Messung mit einem transportablen Gerät in einfacher Weise in jedem beliebigen
Raum (z. B. Werkstatt) durchgerührt werden kann, der nicht speziell für Interferometrie
oder Holographie ausgelegt sein muß, wie es bei den bekannten Verfahren der Fall
ist.
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Der Erfindung lag die Auf gabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen,
das es gestattet, schnell und auf einfache Weise aus dem Streifenmuster eines mit
den Höhenschichtlinien überzogenen Gegonstandes die genaue Objektkontur zu bestimmen.
Die Daten einer solchen Konturvermessung sind, wie eingangs schon gesagt, z. B.
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von Bedeutung bei der Steuerung von Werkzeugmaschinen nach vorliegenden
Modellen
oder bei der Anfertigung von Zeichnungen oder Schnittkurven nach diesen Modellen.
Es ist daher die spezielle Aufgabe der Erfindung, die Vermessung der Objektkontur
weitestgehend zu automatisieren. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß auf/einer Referenzebene mit wenigstens drei Punkten von bekannter Lage ein InterferrnzstreiMennuster
erzeugt wird und aus dem Muster, seiner Abbildung und der Abbildung der bekannten
Punkte die Daten der optischen Anordnung von Lichtquellen, Abbildungsoptik und Bildebene
ermittelt werden, daß ferner ein nicht aufgeweiteter Laserstrahl in Richtung der
Mittelsenkrechten auf der Verbindungsstrecke der beiden Lichtquellen die Interferenz
nullter Ordnung auf dem Objekt markiert und daß durch einen Rechner aus den Koordinaten
der Bildpun@te und den zugehö renden Interferenzordnungen die räumliche Lage der
zugehörenden Objektpunkte und somit die Objektkontur berechnet wird.
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Dadurch, daß dem Rechner die ges@mten Daten dev optischen Anordnung,
d.h. Lage der Lichtquellen und des Ixlterferenzfeldes sowie die Lage des Projektionszentrums
und der Bildebene zur Referenzebene ermittelt und eingegeben werden können, ist
es bei geeigneter Programmierung möglich, durch laufende punktweise Abtastung des
Bildes sofort punktweise die räumlichen Koordinaten der Objektkontur zu erhalten
und damit z. B. direkt eine Werkzeugmaschine zu steuern. Andererseits ist es auch
möglich, mit den Ausgabedaten des Rechners eine automatische Zeichenmaschine so
zu steuern, daß sie die Objektkontur in Form von Schnittkurven aufzeichnet
Das
Verfahren ist für verschiedene Arten der Erzeugung von Interferenzstreifennustern
anwendbar. So kann z. B. das räumliche In terferenzfeld durch die oben genannte
Rekonstruktion eines Hologrammes mit zwei gespeicherten Lichtquellen erzeugt werden.
Es sind aber auch die anderen, in der Holographie üblichen Methoden der Streifenerzeugung
mittels Doppelbelichtung nach der "Zwei-Objekt-Wellen-Methode" möglich. In diesem
Falle wird vorteilhafterweise die nullte Interferenzordnung durch eine zusätzliche
dritte Belichtung mit einem nicht aufgeweiteten Laserstrahl markiert. Die oben beschriebene
Auswertung geschieht dann am virtuellen Bild des dreifach belichteten Hologramms.
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Sin Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an Hand der Zeichnung erläntert.
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Der Aufbau der Anordnung ist aus der Zeichnung zu entnehmen, Zunachst
ist angenommen, daß zur Erzeugung eines Interferenzstrei fenmusters ein Hologramm
H vorgesehen ist, das aus einer monochromatischen Lichtquelle L (Laser) über eine
Aufweitungsoptik S beleuchtet wird. Das auf diese Weise aus dem Hologramm rekonstruierte
Interferenzfeld I entspricht einem von den beiden Lichtquellen Pl und P2 erzeugten
Interferenzfeld. Ferner ist in dem Hologramm H noch ein nicht aufgewei.teter Laserstrahl
R gaspei c ert, der in der Mttelsenkrechten der Verbindungsstrecke zwischen den
Lichtquellen Pl,, P2 verlauft. Mit RE ist eine Referenz ebene bezeichnet. Auf ihr
sind wenigstens drei Punkte 1, 2, 3 von vorgegebener Lage dargestellt. Ferner ist
im Interferenzfeld das zu vermessende Objekt G eingezeichnet. Dieses Objekt ist
hier andeutungsweise
von Interferenzstreifen überzogen, die zur
Vermessung der Kontur herangezogen werden. Die Anordnung enthält ferner eine Projektionsoptik
O mit dem Projektionszentrum Z, welche die Referenzebene RE und das Objekt G auf
eine Bildebene BE abbildet. Ferner ist ein Rechner C angedeutet, in den die Daten
der optischen Anordnung in grober Annäherung vorab eingegeben werden. Diese Eingabe
erfolgt über Dl. In den Rechner werden außerdem die in der Bildebene BE abgetasteten
Bildpunkte über die Eingabeeinrichtung D3 eingespeist. Die Abtastung ist durch die
Abtasteinrichtung A angedeutet. Sie erfolgt in an sich bekannter elektrooptischer
Weise. Es ist aber auch jegliche andere Art der Abtastung bzw. Vermessung von Bildpunkten
nach der Koordinatenlage möglich. An den Rechner sind beisiiielsweise weiterhin
noch angeschlossen eine Ausgabeeinrichtung KD, die hier als Keordinatendrucker für
die räumlichen Koordinaten der Objektpunkte angenommen.sind. Als weiterer Ausgang
ist eine Einrichtung ZM vorgesehen. Hier im Beispiel eine vom Rechner automatisch
gesteuerte Zeichenmaschine oder Werkzeugmaschine.
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Die Wirkungsweise des Verfahrens ist folgende: Zur Konturvermessung
ist es wesentlich, daß zunächst sämtliche Daten der optischen Anordnung bekannt
sind. Diese Daten werden mit Hilfe der Referenzebene RE ermittelt und dem Rechner
C zugeführt. Die Daten bzw. die Lage der Projektionsoptik O, insbesondere die genaue
Lage des Projektionszentrums Z und der Bildebene BE zur Referenzebene-RE wird durch
die in BE abgebildeten Punkte l, 2, 3 der Referenzebene RE ermittelt. Nachdem in
der Eingabe Dl in grober, erster Annäherung diese Werte in den Rechner C eingegeben
wurden,
können mit Hilfe eines bekannten Iterationsverfahrens aus den auf der Bildebene
BE vermessenen Abbildungen der Punkte 1, 2, 3 die genauen Daten ermittelt und endgültig
im Rechner C gespeichert werden. Diese Speicherung ist durch die Eingabeeinrichtung
D2 angedeutet.
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Die Ermittlung der genauen Lage der hier im Beispiel rekonstruierten
Lichtquellen Pl und P2 bezüglich der Referenzebene RE kann dadurch erfolgen, daß
auf der Referenzebene vorab ein Muster aufgebracht wird, das einem beliebigen' Schnitt
mit dem Interferenzfeld einer bestimmten Lichtquellenanordnung entspricht. Die Referenzebene
mit dem aufgebrachten Muster wird dann im eigentlichen Interferenzfeld I so justiert,
daß das Muster mit dem nunmehr auf der Referenzebene PE abgebildeten Streifenmuster
zur Deckung kommt. Damit liegen die Lichtquellen in der durch das gewählte Muster
vorgegebenen Lage. Diese Angaben können wiederum in den Rechner C.eingegeben werden.
Das Muster auf der Bezugsebene kann z. B. zeichnerisch aufgebracht werden oder auch
durch fotographische Belichtung in einem bekannten Interferenzfeld Die Bestimmung
der räumlichen Lage von Pl und P2 kann auch derartig erfolgen, daß der Schnitt des
in der Anordnung verwendeten Interferenzfeldes I mit der Referenzebene RE auf BE
abgebildet wird. Dasselbe geschieht mit dem nicht aufgeweitetem Laserstrahl R, der
als Punkt die nullte Interferenzordnung markiert, Durch Vermessung des abgebildeten
Streifenmusters ist es dann leicht mit Hilfe des Rechners C möglich, die genauen
Daten der Lage von Pl und P2 zu ermitteln und für die Konturvermessung zu speichern.
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Nach diesen vorbereitenden Verfahrensschritten, die der Ermittlung
der notwendigen Daten der optischen Anordnung dienten, wird das Objekt G in das
Interferenzfeld I gebracht. Das Objekt wird mit seinen Interferenzstreifen und dem
nicht aufgeweiteten Laserstrahl, der sich hier als Punkt auf dem Objekt darstellt,
über die Optik 0 auf der Bildebene BE abgebildet. Durch einfache Vermessung öder
auch elektrooptische Abtastung drch die Einrichtung A werden laufend die Koordinaten
der abgebildeten Objektpunkte zusammen mit der zugehörigen Interferenzordnung über
die Einrichtung D3 in den Rechner C eingegeben. Dort werden auf Grund der vorher
ermittelten und gespeicherten Daten der optischen Anordnung die räumlichen Koordinaten
der einzelnen Objektpunkte errechnet. Die Ausgabe der errechneten Werte erfolgÇz.
B. über einen Koordinatendrucker KD in numerischer Form. Selbstverständlich ist
jede Art von Ausgabe und Speicherung möglich, die eine manuelle oder maschinelle
Verwertung dieser Koordinaten zuläßt.
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Diese Art der Ausgabe ist durch die oben erwähnte automatische Zeichenmaschine
ZM im Prinzip angedeutet.
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Statt der erwähnten automatischen, elektrooptischen Abtastung in der
Bildebene können auch andere Methoden zur Vermessung der einzelnen Bildpunkte und
ihrer zugehörigen Interferenzordnungen verwendet werden, Auch diese vermessenen
Angaben werden dene Rechner C zugeleitet. Beispielsweise istt es möglich, in der
Bildebene BE eine fotographische Abbildung durchzuführen und diese Abbildung, evtl.
sogar eine Vergrößerung dieser Abbildung, manuell zu vermessen und die jeweiligen
Werte dem Rechner C zuzuführen.
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Sofern die Geräte zur Erzeugung des Interferenzfeldes und die Abbildungsoptik
mit Bildebene in ihrer relativen Lage unveränderlich zusammengefalat sind, brauchen
die Daten der optischen Anordnung in der oben beschriebenen Weise nur einmal ermittelt
und im Rechner C gespeichert zu werden; es können dann verschiedene Objekte G nacheinander
in beliebiger Zeit vermessen werden.
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Eine Neuermittlung der Daten für die optische Anordnung ist nur dann
erforderlich wenn das Gerät abgebaut und für neue Blessungen wieder neu zusammengestellt
wird.