DE4439307A1 - 3D - Oberflächenmeßgerät mit hoher Genauigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf dreidimensionale optische Oberflächenmeßverfahren.

Optische Meßverfahren werden z. B. neben Längen- und Wegmessungen auch zur dreidimensionalen Oberflächenvermessung in der Qualitätskontrolle, bei der CAD/CAM-Herstellung von Werkstoffen, in der Meßtechnik, in der Automobilindustrie etc. eingesetzt. Bei den Triangulationsverfahren wird ein Lichtspot aus einer bestimmten Richtung auf die Objektoberfläche projiziert. Der hierzu notwendige Aufbau mit Lichtquelle(n), Linse(n) etc. wird als Beleuchtungs­ anteil bezeichnet. Der Lichtspot wird aus einer anderen Richtung, die mit dem Beleuchtungsstrahl den sog. Triangulationswinkel bildet und als Beobachtungsteil bezeichnet wird, betrachtet. Durch die geänderte Beobachtungsrichtung werden Höhenunterschiede des Objektes in lateral unterschiedliche Positionen in der Beobachtungsebene umgesetzt. Neben den Punktsensoren, bei denen nur ein Punkt auf das Objekt projiziert wird, gibt es auch Liniensensoren, bei denen eine oder gleich mehrere Linien auf die Objektoberfläche projiziert werden. Der Vorteil ist, daß mehrere Oberflächenpunkte auf einmal vermessen werden können (Zeitschrift "Applied Optics", Jahrgang 1988, Heft 27, Seiten 5165-5169). Allgemein liefern Triangulationssensoren im Vergleich zu anderen Meßtechniken sehr hohe Meßgenauigkeiten bei vergleichsweise kurzen Meßzeiten.

Zur Erzielung eines ausreichenden Höhenmeßbereiches muß der optische Aufbau eine große Schärfentiefe ermöglichen. Derzeit wird dieses Problem auf der Be­ obachtungsseite durch die Implementierung der Scheimpflugbedingung gelöst (DE 33 37 251 A3). Dies hat allerdings den Nachteil, daß die Eichung große Probleme bereitet und sehr aufwendig ist, da die Scheimpflugbedingung zu starken Ab­ bildungsverzerrungen führt. Die Eichklötze sind schwierig herzustellen und sehr teuer. Auch die erforderliche Software ist sehr aufwendig. Zusätzlich wirken sich die Verzerrungen auch negativ auf die Meßgenauigkeit aus.

Die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung beinhaltet eine optische Anordnung, die es erlaubt, in Kombination mit der Lichtlinienprojektion bei im Vergleich zur Scheimpflugbedingung sogar vergrößerten Höhenmeßbereich eine lineare, d. h. verzerrungsfreie Eichung vorzunehmen. Dies bedeutet, daß der ganze Oberflächenmeßbereich eindeutig geeicht ist, wenn drei in ihrer Lage zueinander feste Punkte mit bekannten Abständen vermessen werden. Dies wird von jedem normalen Eichendmaß erfüllt. Die Kosten und der Aufwand für die Vermessung reduzieren sich dadurch erheblich. Gleichzeitig ist der optische Aufbau so kon­ struiert, daß sich die Seidelschen Bildfehler im Vergleich zur Scheimpflugbedingung weniger stark auswirken. Das Ergebnis ist eine bessere Meßgenauigkeit. Die Einsatzfähigkeit von 3D-Oberflächensensoren kann damit für alle möglichen industriellen Zwecke (Qualitätssicherung, Virtual Reality, CAD/CAM-Steuerung etc.) weiter ausgedehnt werden und ist gekennzeichnet durch eine einfache Handhabung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 und 2 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Rechtecke (1) und (2) kennzeichnen den Beleuchtungsteil bzw. Beobachtungsteil. Durch den Beleuchtungsteil wird eine Lichtlinie (3) mit mindestens 2 mm Länge auf das zu vermessende Objekt projiziert. Die Beleuchtungsoptik zur Erzeugung einer Lichtlinie kann zum Beispiel realisiert werden durch die Abbildung eines Laserspots mit Hilfe eines konventionellen Kollimatoraufbaus gefolgt von einer Zylinderlinse. Als Beleuchtungsrichtung wird die Richtung definiert, die zwischen dem letzten Bauelement der Beleuchtungsoptik und der Objektoberfläche durch denjenigen Lichtstrahl (im Sinne der geometrischen Optik) gebildet wird, der den Mittelpunkt der Lichtlinie darstellt.

Die Lichtlinie, die sich auf der Objektoberfläche ergibt, wird durch ein optisches System (2), dessen Hauptachse (4) einen Winkel ungleich 0 mit der Beleuchtungsrichtung einnimmt, auf eine Bildebene abgebildet. Für dieses optische Betrachtungssystem werden zwei Linsen bzw. Linsensysteme (5,6) mit den Brennweiten f₁ und f₂ im Abstand f₁ + f₂ angeordnet. Die Objektebene wird aufgespannt durch alle Strahlen (im Sinn der geometrischen Optik), die die Lichtlinie erzeugen. Diese Ebene (bzw. die Beleuchtungsrichtung) bildet mit der Hauptachse des Betrachtungssystems den Triangulationswinkel Θ. Bei der Bildebene (7) kann es sich um einen CCD-Kamerachip, PSD-Element oder ähnlichem handeln. Eine den Strahlengang begrenzende Blende (8) befindet sich im Abstand f₁ von der ersten Linse bzw. Linsensystem und im Abstand f₂ von der zweiten Linse bzw. Linsensystem. Damit die Abbildung aller Punkte auf der Objektebene scharf auf die Bildebene erfolgt, muß der Winkel Θ′ folgender Beziehung gehorchen:

Damit die Blende mit dem Radius a wirksam wird, muß bei einem gewünschten Höhenmeßbereich von h der Durchmesser der ersten Linse bzw. Linsensystems mindestens 2·a+h·sin Θ betragen. Für die zweite Linse bzw. Linsensystem gilt entsprechend 2 · a+h · f₂/f₁ · sin Θ. Die objektseitige Apertur sin u ist dann durch

gegeben, wobei g die Entfernung des Objektpunktes von der Hauptebene der ersten Linse bzw. Linsensystem (5) ist: g = f₁ + x₁. Für x₁ und x₂ gilt folgende Relation:

Alle oben angegebenen Werte können Abweichungen bis zu 10% aufweisen (z. B. der Abstand der Linsen).

Claims (1)

1. Optisches 3D-Oberflächenmeßgerät nach dem Prinzip der Triangulation, bestehend aus einer Beleuchtungsoptik und einer unter dem Triangulationswinkel Θ ungleich Null angeordneten Beobachtungsoptik,
dadurch gekennzeichnet

• - daß die Beleuchtungsoptik (1) eine Lichtlinie (3) von mindestens 2 mm auf die zu vermessende Objektoberfläche projiziert
• - und daß der Beobachtungsteil (2) aus einer optischen Anordnung besteht, bei der zwei Linsen (bzw. Linsensysteme) (5, 6) mit den Brennweiten f₁ und f₂ im Abstand f₁+f₂ (±10%) angebracht sind, und sich im Abstand f₁ (±10%) von der ersten Linse (Linsensystem) und im Abstand f₂ (±10%) von der zweiten Linse (Linsensystem) eine Blende (8) befindet, die den Strahlengang begrenzt,
• - und daß die Hauptachse (4) dieser optischen Beobachtungsanordnung, die mit der Objektebene (9) den Winkel Θ einschließt, mit der Bildebene (7) den Betrag des Winkels Θ′ (±10%) entsprechend der Beziehung einschließt.