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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der dreidimensionalen Koordinaten der Oberfläche eines Objekts und eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
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Bei dem Verfahren zum Bestimmen der dreidimensionalen Koordinaten der Oberfläche eines Objekts wird Licht von einer Lichtquelle durch einen Mustergenerator mit einem Streifenmuster und eine Apertur geleitet.
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Das auf die Oberfläche des Objekts projizierte Muster dient dazu, die dreidimensionalen Koordinaten der Oberfläche eines Objekts zu bestimmen. Bei einem derartigen Verfahren wird das von dem Objekt reflektierte Licht von einer Kamera aufgenommen.
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Ein Verfahren zum Bestimmen der dreidimensionalen Koordinaten der Oberfläche eines Objekts ist aus der
EP 2 105 701 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird mit einem Projektor ein Muster, insbesondere ein Streifenmuster, auf das Objekt projiziert. Das von dem Objekt reflektierte Licht wird von einem Sensor aufgenommen. Der Sensor ist Bestandteil einer Kamera. Projektor und Kamera können baulich in einem sogenannten 3D-Sensor integriert sein.
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Bei dem Verfahren der Musterprojektion, insbesondere der Streifenprojektion, wird das dreidimensional zu vermessende Objekt von einer Projektionseinheit mit einem oder mehreren Mustern beleuchtet und wird das von dem Objekt reflektierte Licht von einem Sensor, der in einer Bildaufnahmeeinheit vorgesehen sein kann, erfaßt. Hierbei ist die Schärfentiefe der Projektionsoptik und damit auch die Einstellung der Apertur so zu wählen, daß die Fokussierung des oder der projizierten Muster über den gesamten Tiefenbereich des Meßvolumens ausreichend ist, daß also das Muster über den gesamten Tiefenbereich des Objekts scharf auf dem Objekt abgebildet werden kann. Dies bedeutet, daß in vielen Fällen nicht mit vollständig offener Apertur gearbeitet werden kann, um eine ausreichende Schärfentiefe zu erreichen. Eine nicht vollständig offene Apertur bringt allerdings den Nachteil mit sich, daß das von der Projektionsoptik, insbesondere von deren Kondensor, abgebildete Strahlenbündel künstlich im Querschnitt begrenzt wird, wodurch die Ausleuchtung des Meßfeldes verschlechtert wird. Hierdurch verschlechtert sich auch das Signal-Rausch-Verhältnis. Dies ist insbesondere bei vorhandenem Umgebungslicht von Nachteil.
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Aus der
US 2007/0177160 A1 ist ein Verfahren zum Projizieren eines Musters auf die Oberfläche eines Objekts bekannt, bei dem das Licht von einer Lichtquelle durch einen Mustergenerator mit einem Streifenmuster und eine Apertur geleitet wird, wobei die Lichtquelle als flächige rechteckige Lichtquelle mit einer längeren Seite und einer kürzeren Seite ausgebildet ist und wobei die kürzere Seite senkrecht zu der Richtung der Streifen des Streifenmusters orientiert ist.
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Die
US 2002/0014577 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Überprüfung von Bauteilen mit einem Projektor zum Projizieren eines Streifenmusters auf das Bauteil und einer Kamera zur Aufnahme des Bauteils.
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Die
US 5 902 033 A offenbart einen Projektor, der eine Bogenlampe, einen Reflektor, ein Lichtrohr, eine Optik, zwei Fresnel-Linsen und eine Projektionslinse umfaßt.
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Aus der
WO 94/22050 A1 ist ein Video-Projektionssystem mit einer Bogenlampe und einem Reflektor bekannt.
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Die
WO 2005/125194 A1 offenbart ein Verfahren zum Projizieren eines Musters auf die Oberfläche eines Objekts, bei dem das Licht von einer Lichtquelle durch einen Mustergenerator und eine Apertur geleitet wird. Die Lichtquelle ist als flächige rechteckige Lichtquelle mit einer längeren Seite und einer kürzeren Seite ausgebildet.
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Aus der
US 2005/0046873 A1 ist ein Projektionssystem mit einem Projektor, einer Kamera und einem Mustergenerator bekannt.
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In der Praxis wird die Apertur der Projektionsoptik in dem Maße geschlossen, daß ein Optimum zwischen Abbildungshelligkeit und benötigter Schärfentiefe erreicht wird. Je nach Beschaffenheit des abbildenden Objektivs in der Projektionsoptik und des auszuleuchtenden Meßvolumens kann oftmals nur ein kleiner Teil des Lichts von der Lichtquelle genutzt, also in die Meßszene eingebracht werden.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, verbesserte Verfahren und Vorrichtungen der eingangs angegebenen Art vorzuschlagen.
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Bei einem Verfahren zum Bestimmen der dreidimensionalen Koordinaten der Oberfläche eines Objekts wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Mustergenerator verwendet, der in einer Richtung eine Frequenz aufweist. Bei dem Muster handelt es sich um ein Streifenmuster. Ein Streifenmuster weist in der Richtung, die senkrecht zu den Streifen verläuft, eine Frequenz auf.
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Ferner wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine flächige rechteckige Lichtquelle verwendet, die eine längere Seite und eine kürzere Seite aufweist. Die kürzere Seite ist im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Streifen des Streifenmusters orientiert. Die längere Seite der flächigen rechteckigen Lichtquelle ist im wesentlichen parallel zur Richtung der Streifen orientiert.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Ausdehnung der Lichtquelle in der Richtung ihrer kürzeren Seite kleiner oder gleich dem Durchmesser der Apertur ist.
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Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß die Schärfentiefe nur entlang derjenigen Richtung des Musters sichergestellt werden muß, in der das Muster eine Frequenz aufweist. Dementsprechend genügt es zur Verbesserung der Tiefenschärfe, wenn diejenige Seite der flächigen Lichtquelle kürzer ausgestaltet wird, die in der Richtung der Frequenz des Mustergenerators verläuft. Eine Vergrößerung der Lichtquelle in der hierzu senkrechten Richtung hat keinen Einfluß auf die Tiefenschärfe. In dieser Richtung kann die fläche Lichtquelle also ohne nachteilige Wirkungen auf die Tiefenschärfe verlängert werden, wodurch die Fläche der Lichtquelle und damit die Lichtmenge ansteigen. Im Endergebnis wird es hierdurch ermöglicht, aus derselben Lichtmenge eine höhere Tiefenschärfe zu erzielen oder die Lichtmenge bei derselben Tiefenschärfe zu steigern. Ferner ist es möglich, sowohl die Tiefenschärfe wie auch die Lichtmenge zu steigern. Eine Steigerung der Lichtmenge führt zu einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses, insbesondere bei vorhandenem Umgebungslicht.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Lichtquelle kann als LED ausgebildet sein.
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Bei einer Vorrichtung zum Bestimmen der dreidimensionalen Koordinaten der Oberfläche eines Objekts wird die Aufgabe der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst. Die Vorrichtung umfaßt einen Projektor zum Projizieren eines Musters auf die Oberfläche des Objekts, eine Lichtquelle, einen Mustergenerator mit einem Streifenmuster und einer Apertur, eine Kamera zum Aufnehmen des von dem Objekt reflektierten Lichts und eine Auswerteeinrichtung zum Berechnen der dreidimensionalen Koordinaten der Oberfläche des Objekts durch Auswertung der von der Kamera aufgenommenen Bilder. Die Lichtquelle ist als flächige rechteckige Lichtquelle mit einer längeren Seite und einer kürzeren Seite ausgebildet, wobei die kürzere Seite senkrecht zu der Richtung der Streifen des Streifenmusters orientiert ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Ausdehnung der Lichtquelle in der Richtung ihrer kürzeren Seite kleiner oder gleich dem Durchmesser der Apertur ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Lichtquelle als LED ausgebildet ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Vorrichtung eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen der von dem Sensor aufgenommenen Bilder und/oder einen Speicher zum Speichern der von dem Sensor aufgenommenen Bilder aufweist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt die
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einzige Figur eine Vorrichtung zum Projizieren eines Musters auf die Oberfläche eines Objekts in einer schematischen, perspektivischen Ansicht.
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Die in der Figur dargestellte Vorrichtung zum Projizieren eines Musters auf die Oberfläche eines Objekts kann in einer Vorrichtung zum Bestimmen der dreidimensionalen Koordinaten der Oberfläche eines Objekts verwendet werden. Sie umfaßt eine rechteckige Lichtquelle 1, eine Optik, nämlich einen Kondensor 3, einen Mustergenerator 4 und eine Apertur 5. Die rechteckige Lichtquelle 1 wird von einer LED gebildet. Die begrenzenden Lichtstrahlen der Lichtquelle 1 sind mit dem Bezugszeichen 2 versehen. Die Apertur 5 kann als Irisblende ausgebildet sein.
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Der Mustergenerator 4 stellt ein intensitätsmodulierendes Element dar. Er kann durch ein statisches Dia realisiert werden. Es ist allerdings auch möglich, den Mustergenerator 4 als digitalen DLP, LCD oder LCOS auszubilden.
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Der Mustergenerator weist ein Streifenmuster auf. Die Streifen verlaufen in vertikaler Richtung. Der Mustergenerator weist also in einer horizontalen Richtung 7 eine Frequenz auf.
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Die rechteckige Lichtquelle 1 weist eine längere Seite 8 und eine kürzere Seite 9 auf. Die längere Seite 8 ist in der vertikalen Richtung 6 orientiert, also senkrecht zur Richtung 7, in der der Mustergenerator 4 eine Frequenz aufweist. Die kürzere Seite 9 ist parallel zu der eine Frequenz aufweisenden Richtung 7 des Mustergenerators 4 orientiert.
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Das Streifenmuster des Mustergenerators 4 kann ein Streifenmuster mit einer bestimmten Frequenz (Streifenabstand, Periode) und/oder einem bestimmten Amplitudenverlauf sein. Insbesondere kann das Streifenmuster sinusförmig sein. Der Flächensensor kann Bestandteil einer Kamera sein (in der Zeichnung nicht dargestellt). Bei der Kamera handelt es sich insbesondere um eine digitale Flächenkamera.
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Die Berechnung der dreidimensionalen Koordinaten der Oberfläche des Objekts kann in einem Auswerterechner durch die Auswertung der von der Kamera aufgenommenen Bilder erfolgen (in der Zeichnung nicht dargestellt). Hierbei können das Graycode-Verfahren, das Phasenshift-Verfahren oder ein sonstiges Auswerteverfahren zum Einsatz kommen. Die Muster, insbesondere Streifenmuster, können auf einem Glasdia aufgebracht sein. Es ist allerdings auch möglich, das Muster durch ein bildgebendes Element zu erzeugen. Besonders geeignet sind bildgebende Elemente zur schnellen Musterprojektion. Das bildgebende Element kann ansteuerbar sein. Vorzugsweise ist das bildgebende Element pixelweise ansteuerbar. Durch die Verwendung eines bildgebenden Elements können kürzere Meßzeiten erreicht werden.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich viele der im Rahmen der Musterprojektion, insbesondere der Streifenprojektion bekannte Projektionsmuster dahingehend auszeichnen, daß das projizierte Muster lediglich in einer Dimension eine Frequenz aufweist. Dementsprechend muß die Schärfentiefe ebenfalls nur entlang dieser Dimension sichergestellt werden und kann die Schärfentiefe in der dazu senkrechten Dimension vernachlässigt werden. Die Erzeugung einer derart ausgeprägten Schärfentiefe kann mittels einer Lichtquelle realisiert werden, die eine längere und eine kürzere Seite aufweist, insbesondere mittels einer Lichtquelle, die ein rechteckiges Format aufweist. Hierbei wird die längere Seite der Lichtquelle parallel zur Richtung mit geringer bzw. keiner Schärfentiefe orientiert. Die kürzere Seite der Lichtquelle entspricht somit der Dimension der Musterfrequenz. Als Apertur der Projektionsoptik kann eine gewöhnliche Irisblende verwendet werden. In der Dimension der Musterfrequenz wird die Apertur nicht vollständig ausgefüllt. Als Lichtquelle kann beispielsweise eine LED mit einer emittierenden Fläche von rechteckigem Format verwendet werden. Durch die Erfindung kann der Vorteil realisiert werden, daß in der Richtung, in der keine Schärfentiefe erforderlich ist, auch keine Begrenzung der Strahlenbündel erfolgt und somit ein größerer Teil der Lichtquelle genutzt, also in die Meßszene eingebracht werden kann.