DE19633686C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Vermessung von Entfernungen und/oder räumlichen Koordinaten von Gegenständen und/oder deren zeitlicher Änderung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Ver­ fahren zur Vermessung von Entfernungen und/oder räum­ lichen Koordinaten von Gegenständen und/oder deren zeitlicher Änderung nach den Oberbegriffen der An­ sprüche 1 und 5.

Derartige Vorrichtungen und Verfahren werden insbe­ sondere im Maschinenbau, Automobilbau, Keramikindu­ strie, Schuhindustrie, Schmuckindustrie, Dentaltech­ nik und Humanmedizin (Orthopädie) und weiteren Berei­ chen verwendet.

Die steigenden Forderungen nach einer weitgehend vollständigen Qualitätkontrolle im laufenden Produk­ tionsprozeß sowie nach der Digitalisierung der Raum­ form von Prototypen machen die Aufnahme von Oberflä­ chentopografien zu einer immer häufiger gestellten Meßaufgabe. Dabei stellt sich die Aufgabe, die Koor­ dinaten einzelner Punkte der Oberfläche der zu ver­ messenden Gegenstände in kurzer Zeit zu bestimmen. Es gibt unterschiedliche Ansätze, sowohl das Zeit- als auch das Antastproblem durch den Einsatz optischer Meßverfahren zu lösen. Der Vorteil optischer Meßver­ fahren liegt in der berührungslosen und damit rück­ wirkungsfreien Messung sowie darin, daß die Informa­ tionen über das Objekt in bildhafter Form und damit leicht verständlich vorliegen. Zu diesen optischen Meßverfahren gehört die Streifenprojektionstechnik einschließlich der Gray-Code-Technik, das Moiré-Ver­ fahren, das holografische und Speckle-Contouring so­ wie die Fotogrammetrie.

Charakteristisch für diese Verfahren ist, daß die interessierenden Meßgrößen, die Raumkoordinaten der Oberfläche von Gegenständen, indirekt aus Phasenmeß­ werten in Schnittlinienbildern von Lichtmustern, bei­ spielsweise Streifenmustern, die auf das Objekt pro­ jiziert werden, aus Phasenmeßwerten in Moirés, aus Koordinaten der Durchstoßungspunkten von Beobach­ tungsstrahlen durch die Empfängerebene und/oder aus Parametern bestimmt werden, die die Geometrie der Meßanordnung, d. h. die Lichtquellen, optischen Bau­ elemente sowie die Bildaufzeichnungsvorrichtung cha­ rakterisieren. Sind die Geometrieparameter der Meß­ anordnung bekannt, kann man aus drei linear vonein­ ander unabängigen Phasenmeßwerten und/oder Bild- bzw. Pixelkoordinaten die Koordinaten der Meßpunkte auf der Oberfläche des Gegenstandes in einem Sensorkoor­ dinatensystem durch Triangulation berechnen.

Zur Erzeugung der Lichtmuster werden unterschiedliche Projektionstechniken eingesetzt, beispielsweise pro­ grammierbare LCD-Projektoren, verschiebliche Glasträ­ ger mit unterschiedlichen Gitterstrukturen in einem Projektor, eine Kombination eines elektrisch schalt­ baren Gitters und einer mechanischen Verschiebeein­ richtung oder auch die Projektion von Einzelgittern auf der Basis von Glasträgern.

Aus der DE 42 38 581 A1 ist ein Verfahren zur Erzeu­ gung von Linienmustern unter Einsatz eines aus Flüs­ sigkristallzellen aufgebauten Verlaufsgitters be­ kannt. Dieses Gitter wird zwischen die Lichtquelle und den Gegenstand, der vermessen werden soll, ge­ bracht, so daß der Gegenstand mit dem gewünschten Verlaufsgitter beleuchtet wird. Nachteilig an derar­ tigen LCD-Projektoren ist, daß die Breite der auflös­ baren Einzelstrukturen im allgemeinen < 50 µm ist und sich daher eine relativ große Bauweise ergibt. Wei­ terhin sind bei Einsatz von LCD-Gittern Schaltzeiten von < 200 ms zwischen zwei unterschiedlichen Projek­ tionsstrukturen aufgrund der relativ langsamen Um­ orientierung der einzelnen Flüssigkristalle kaum rea­ lisierbar. Aus demselben Grund sind beim Wechsel zwi­ schen verschiedenen Lichtmustern störende Relaxa­ tionserscheinungen zu beobachten.

Die DE 43 38 390 A1 offenbart einen Szenensimulator zur Erzeugung von Bildinformationen in Echtzeit für den Test von bildauflösenden Sensoren, insbesondere zum Testen von Infrarot-Sensoren in Zielsuchköpfen. Dieser enthält ein mikromechanisches Spiegelarray aus einer gleichmäßig ausgeleuchteten zweidimensionalen Anordnung von Spiegelelementen, welche in zwei Schaltstellungen bewegbar sind. In der ersten Schalt­ stellung eines Spiegelelements wird das von diesem reflektierte Licht an einem zu testenden Sensor vor­ beigeleitet und in der zweiten Schaltstellung wird dieses in den Strahlengang des Sensors reflektiert. Die Spiegelelemente werden so angesteuert, daß der zu testende Sensor eine simulierte Objektszene beobach­ tet.

Aus der US 5 612 736 ist eine Vorrichtung zum Proji­ zieren eines Farbbildes auf einen Schirm mit Hilfe einer Mikrospiegelanordnung bekannt. In der einen Stellung eines Spiegelelements wird das von diesem reflektierte Licht auf den Schirm und in der anderen Stellung in eine Lichtfalle reflektiert. Jedes Spie­ gelelement erzeugt ein Pixel auf dem Schirm. Das das Spiegelelement beleuchtende Licht geht durch ein sich drehendes, die drei Grundfarben enthaltendes Farbrad hindurch. Durch entsprechend gesteuerte Drehung des Farbrades und Umschaltung der Positionen des Spiegel­ elements kann das zugeordnete Pixel jede gewünschte Leuchtintensität und Farbe annehmen.

In "Malz, R.: Adaptive Light Encoding for 3-D-Sensing with Maximum Measurement Efficiency", Universität Stuttgart, 1994, werden für das maschinelle 3-D-Sehen mit einer Triangulationskamera hybride Codes zur flä­ chenhaften Objektmarkierung beschrieben. Diese Codes vereinigen die Genauigkeit analoger Markierungsfunk­ tionen mit der Robustheit digitaler Codes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vor­ richtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem beliebige strukturierte Lichtmuster auf Ge­ genständen mit hoher räumlicher Auflösung sowie kur­ zen Wechselzeiten zwischen verschiedenen Lichtmustern erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie das Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5 in Verbindung mit ihren kennzeichnenden Merkmalen gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch eine An­ ordnung aus mehreren in einem zweidimensionalen Array angeordneten Spiegeln gekennzeichnet, die einzeln, gegebenenfalls durch eine Steuerschaltung einzeln ansteuerbar, in verschiedene Kippstellungen gebracht werden können. Hierbei sind unter dem Begriff "Spie­ gel" jegliche reflektiven optischen Bauelemente zu verstehen. Durch die Auswahl der Kippstellungen der einzelnen Spiegel werden die von der Lichtquelle er­ zeugten Lichtstrahlen in unterschiedliche Richtungen reflektiert. Durch geeignete Ansteuerung der einzel­ nen Spiegel kann auf dem zu vermessenden Gegenstand ein lediglich durch die Größe und Anzahl der Spiegel in der Auflösung bestimmtes Lichtmuster erzeugt wer­ den, wobei jeder von einem Spiegel reflektierte und auf den Gegenstand auftreffende Lichtstrahl einen Lichtpunkt bzw. -fleck zu dem Lichtmuster beiträgt. Soll ein reflektierter Lichtstrahl keinen Lichtpunkt erzeugen, so kann der Spiegel so eingestellt werden, daß der reflektierte Lichtstrahl mittels des proji­ zierenden optischen Systems nicht auf das Objekt ab­ gebildet wird.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es folg­ lich möglich, ohne mechanischen Umbau unterschied­ lichste Lichtmuster, im allgemeinen Gitterstrukturen, auf den zu vermessenden Gegenstand zu projizieren und damit Triangulationsverfahren, beispielsweise die Streifenprojektionstechnik einschließlich der Gray- Code-Technik, das Moiré-Verfahren sowie die Fotogram­ metrie sowie Kombinationen dieser Verfahren anzuwen­ den.

Die Lichtausbeute bei der Generierung von struktu­ rierten Lichtmustern aus dem von einer Lichtquelle erzeugten und auf die Anordnung von Spiegeln proji­ zierten Licht ist erheblich höher als beim Einsatz von Flüssigkristall-Gittern, da zur Generierung der Lichtmuster keine absorbierenden Strukturen sondern reflektierende Spiegel in den Strahlengang eingesetzt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wer­ den in den abhängigen Ansprüchen gegeben.

Die oben beschriebenen Verfahren, die mit Hilfe einer Triangulation zur Bestimmung von räumlichen Koordina­ ten von Gegenständen verwendet werden, können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vor­ teilhaft verwendet und auch miteinander kombiniert werden. Die Verwendung von Anordnungen mit Mikrospie­ geln, sogenannte Mikrospiegelarrays, ermöglicht nied­ rige Schaltzeiten von unter 10 µs, so daß eine Pro­ jektion in Zeiten schneller als Videoechtzeit möglich ist und auch bewegte Objekte bei Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras zur Datenaufnahme vermes­ sen werden können. Mikrospiegelarrays, die bisher ausschließlich im Bereich der Telekommunikation ein­ gesetzt werden, besitzen derzeit einen Flächen Füll­ faktor von 95%, d. h. verspiegelte Fläche zu Gesamt­ fläche des Arrays, und zeigen damit eine bessere Flä­ chennutzung als herkömmliche Gitter erzeugende Ele­ mente. Weiterhin können die Mikrospiegel so klein erzeugt werden, daß eine sehr hohe räumliche und, aufgrund der geringen Schaltzeiten, zeitliche Auflö­ sung erreicht wird.

Besonders kurze Schaltzeiten lassen sich erzielen, wenn die Mikrospiegel um eine Achse um einen fest vorgegebenen Winkel zwischen zwei Stellungen gekippt werden. In diesem Falle wird die Anordnung von Mikro­ spiegeln so bezüglich der Lichtquelle und des zu ver­ messenden Objektes ausgerichtet, daß in einer der Kippstellungen das einfallende Licht von dem Mikro­ spiegel auf den Gegenstand und in der anderen Kipp­ stellung das einfallende Licht an dem Gegenstand vor­ bei reflektiert wird. Durch eine geeignete Ansteue­ rung der einzelnen Mikrospiegel können so Zeilen und Spalten bzw. weitere beliebige Formen von Hell- und Dunkelbereichen erzeugt werden.

Im folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungs­ gemäßen Verfahrens dargestellt.

Fig. 1 zeigt den Beleuchtungsteil einer er­ findungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt die Erzeugung eines Kreuzgitters 6 aus Hell- und Dunkelbereichen mit dem Beleuchtungsteil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Projektor 1 erzeugt als Lichtquelle einen Lichtstrahl, der quer zu seiner Ausbreitungsrichtung flächig ausgedehnt ist. Dieser Lichtstrahl wird durch eine Kondensorlin­ se 2 auf eine Anordnung 3 aus Mikrospiegeln 4 proji­ ziert. An diesen Mikrospiegeln wird das einfallende Licht reflektiert und über ein weiteres optisches System 5 auf das zu vermessende Objekt abgebildet. Jeder einzelne Mikrospiegel kann um eine Achse um einen fest vorgegebenen Winkel ± α gekippt werden. Jeder Spiegel kann folglich zwei Kippstellungen ein­ nehmen. Derartige Anordnungen werden daher auch als digitale Mikrospiegelarrays bezeichnet.

Die Ansteuerung jedes Mikrospiegels erfolgt unabhän­ gig vom Nachbarspiegel mit Hilfe einer Schaltelektro­ nik, die wiederum durch einen Mikroprozessor gesteu­ ert werden kann.

Je nach eingestellter Kippstellung des Mikrospiegels lenkt dieser das auf ihn auftreffende Licht in die Pupille des optischen Abbildungssystems 5 oder daran vorbei. Bei Reflexion in die Pupille des Abbildungs­ systems erscheint der damit ausgeleuchtete Objektbe­ reich hell (Kippwinkel + α), in anderem Fall er­ scheint der entsprechende Objektbereich dunkel (Kipp­ winkel - α). Durch die freie Adressierbarkeit jedes Mikrospiegels sind folglich beliebige strukturierte Lichtmuster, beispielsweise aus einzelnen Lichtflec­ ken von einzelnen Mikrospiegeln aufgebaute Streifen­ muster oder Kreuzgitter, generierbar und können auf das zu vermessende Objekt projiziert werden.

Die Meßwertaufzeichnung, das heißt die Bestimmung der Intensitätsverteilung des von dem Gegenstand in eine CCD-Kamera gestreuten und/oder reflektierten Lichtes, erfolgt synchronisiert mit der Ansteuerung der ein­ zelnen Mikrospiegel 4 der digitalen Mikrospiegelan­ ordnung 3.

Dadurch ist eine Berechnung der Objektpunktkoordina­ ten unter Verwendung der ansonsten bekannten Phase- Shift-Technik, der Gray-Code-Technik, der Phase-Step- Technik oder fotogrammetrischer Verfahren bzw. Kom­ binationen dieser einzelnen Techniken und Verfahren möglich. In dem in Fig. 1 gezeigte Beispiel wird ein Kreuzgitter aus dunklen Linien auf den zu vermessen­ den Gegenstand projiziert. Da jeder einzelne Mikro­ spiegel getrennt von den anderen Mikrospiegeln ange­ steuert werden kann, kann jedoch jedes beliebige Lichtpunktmuster auf dem Gegenstand erzeugt werden.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Vermessung von Entfernungen und/oder räumlichen Koordinaten von Gegenständen und/oder deren zeitlicher Änderung mit minde­ stens einer Lichtquelle (1) zur Erzeugung von Licht, einer von der Lichtquelle (1) beleuchte­ ten abbildenden Optik (2, 3) mit einem Element zur Erzeugung strukturierter Lichtmuster (6) auf der Oberfläche der Gegenstände, einer Aufnahme­ vorrichtung zur Erzeugung von Bildern der Ober­ fläche der Gegenstände und einer Auswerteeinheit zur Bestimmung der Entfernungen und/oder räumli­ chen Koordinaten durch Triangulation aus den genannten Bildern, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (3) zur Erzeugung des Lichtmu­ sters auf der Oberfläche der Gegenstände minde­ stens eine Anordnung (3) aus mehreren in einem zweidimensionalen Array angeordneten Spiegeln (4) aufweist, die einzeln in eine vorbestimmte von mindestens zwei voneinander verschiedenen Kippstellungen so einstellbar sind, daß jeder Spiegel (4) das auf ihn auftreffende Licht in eine vorbestimmte Richtung reflektiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Projektionsvorrichtung (2, 3) mindestens drei Anordnungen (3) aus mehreren Spiegeln (4) aufweist, wobei die mindestens eine Lichtquelle und die mindestens drei Anordnungen so aufeinander ausgerichtet sind, daß jede der mindestens drei Anordnungen mit Licht anderer Wellenlänge belichtet wird.

3. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel (4) Mikrospiegel sind.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel in zwei, um einen vorbestimmten Win­ kel gegeneinander gekippte Stellungen einstell­ bar sind.

5. Verfahren zur Vermessung von Entfernungen und/­ oder räumlichen Koordinaten von Gegenständen und/oder deren zeitlicher Änderung indem ein quer zur Strahlrichtung flächenhaft ausgedehnter Lichtstrahl erzeugt und zur Erzeugung struktu­ rierter Lichtmuster bezüglich seines Quer­ schnitts bereichsweise in seiner Intensität mo­ duliert wird, wobei der modulierte Lichtstrahl auf die Oberfläche der Gegenstände projiziert und Bilder der Oberfläche des Gegenstandes auf­ gezeichnet werden und aus diesen Bildern mittels räumlicher Triangulation die Entfernungen und/­ oder räumlichen Koordinaten und/oder deren zeit­ liche Änderung bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der strukturierten Lichtmuster der Lichtstrahl bezüglich seines Querschnitts bereichsweise in unterschiedliche vorbestimmte Richtungen reflektiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß strukturierte Lichtmuster (6) un­ terschiedlicher Periode, Form, Grauwertvertei­ lung und/oder Farbe nacheinander erzeugt und auf die Oberfläche des Gegenstandes projiziert wer­ den, die Schnittlinienbilder der Lichtmuster mit der Oberfläche des Gegenstandes aufgezeichnet werden und aus den Schnittlinienbildern die räumlichen Koordinaten bestimmt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß additive Kreuzgitter als strukturierte Lichtmuster (6) erzeugt werden und die räumlichen Koordinaten mit dem Verfahren der Streifenprojektion und/oder mittels der Photo­ grammetrie bestimmt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Rechteckgitter unterschiedli­ cher Periode als strukturierte Lichtmuster er­ zeugt werden und die räumlichen Koordinaten mit dem Gray-Code-Verfahren bestimmt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sinusförmige Gitter mit unter­ schiedlicher Periode als strukturierte Lichtmu­ ster erzeugt werden und die räumlichen Koordina­ ten mit dem Mehr-Wellenlängen-Verfahren bestimmt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß nacheinander strukturierte Lichtmuster mit zueinander jeweils phasenver­ schobener sinusförmiger Intensitätsverteilung erzeugt und auf die Oberfläche des Gegenstandes projiziert werden.

11. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in zeitlicher Abfolge Licht­ muster aus Rechteckgittern und/oder phasenver­ schobenen sinusförmigen Gittern erzeugt und auf die Oberfläche des Gegenstandes projiziert wer­ den.

12. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Lichtmuster mit stochastischer Struktur erzeugt und auf die Oberfläche des Ge­ genstandes projiziert werden und daß die räumli­ chen Koordinaten nach dem Verfahren der Photo­ grammetrie über ein Korrelationsverfahren be­ stimmt werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander Licht­ muster mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen erzeugt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtmuster farbkodierte Lichtmuster erzeugt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtmuster durch eine Kombination aus codiertem Lichtansatz und Phaseshiftverfahren codiert werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß durch drei Anordnun­ gen (3) einzeln ansteuerbarer und kippbarer Spiegel (4) gleichzeitig drei Lichtmuster unter­ schiedlicher Farben erzeugt und auf die Oberflä­ che des Gegenstandes projiziert werden.