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