DE19955709A1

DE19955709A1 - Method and device for measuring the contour of an object surface using electromagnetic radiation

Info

Publication number: DE19955709A1
Application number: DE1999155709
Authority: DE
Inventors: Christof Bosbach; Alexander Bai
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-11-18
Filing date: 1999-11-18
Publication date: 2001-05-31
Also published as: WO2001036906A1

Abstract

The invention relates to a method and a device for measuring the contours of the surface of an object using electromagnetic radiation. According to the invention, a measuring line is generated in space using a hologram or using two intersecting beams of radiation (6, 7). The measuring line can be moved relative to the surface of the object to be measured. The intersections (14, 15) of the measuring lines with the object surfaces are determined using a camera (4) and an image processing unit. Information on the contours of the surfaces of the object can be obtained from the spatial coordinates of a plurality of intersecting points (14, 15).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung der Kontur einer Objektoberfläche unter Einsatz elektromagnetischer Strahlen, wobei die Vorrichtung Mittel zur Bestrahlung der Objektoberfläche mit elektromagnetischer Strahlung sowie eine Kamera und eine Verarbeitungseinheit zur Auswertung des Kamerabildes umfasst.The invention relates to a method and a device for measuring the contour of a Object surface using electromagnetic radiation, the device means for Irradiation of the object surface with electromagnetic radiation and a camera and includes a processing unit for evaluating the camera image.

Es ist bekannt (Topometry of steeply curved surfaces; M. Lazar; VDI Berichte Nr. 940, 1992; Seite 117), Oberflächenkonturen von Gegenständen berührungslos mit Hilfe eines Streifenpro jektionsverfahrens zu vermessen. Hierfür wird ein mit Laserlicht erzeugtes Streifenmuster auf die zu vermessende Oberfläche projiziert und gleichzeitig die Oberfläche mit einer CCD-Kamera betrachtet. Die Streifen, die im Falle ihrer Projektion auf eine zur Projektionsrichtung senkrechte Ebene zueinander parallel sind, zeigen in ihrer Abbildung auf der Bildebene der CCD-Kamera einen für die dreidimensionale Form der Oberfläche des Gegenstandes charakteristischen Verlauf. Hierfür ist Voraussetzung, dass die Projektionsrichtung und die Beobachtungsrichtung der Kamera auseinanderfallen. Die Kontur der Oberfläche kann aus dem Verlauf der abgebildeten Streifen berechnet werden. Hierfür kann es notwendig sein, mehrere Aufnahmen, z. B. aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen, auszuwerten, oder aber bestimmte Vorgaben für die Oberflächenkontur, z. B. dass der Gegenstand im wesentlichen zylinderförmig ist, zu berücksichtigen.It is known (Topometry of steeply curved surfaces; M. Lazar; VDI Report No. 940, 1992; Page 117), non-contact surface contours of objects using a strip pro measurement method. For this purpose, a stripe pattern is created with laser light projected the surface to be measured and at the same time the surface with a CCD camera considered. The stripes that, when projected onto a perpendicular to the projection direction Plane parallel to each other, show in their image on the image plane of the CCD camera one characteristic of the three-dimensional shape of the surface of the object Course. The prerequisite for this is that the direction of projection and the direction of observation the camera fall apart. The contour of the surface can be seen from the course of the shown strips are calculated. It may be necessary to take several shots, e.g. B. from different projection directions to evaluate, or certain specifications for the surface contour, e.g. B. that the object is substantially cylindrical, too consider.

Das Streifenprojektionsverfahren ist mit der Auswertung einer hohen Informationsmenge ver bunden und weist überdies insbesondere den Nachteil auf, dass die zu überprüfende bzw. zu ver messende Oberfläche diffus reflektierend sein muss, damit ein hinreichender Teil des projizierten Streifenmusters mit für eine Auswertung genügendem Kontrast auf die Bildebene der CCD-Kamera abgebildet werden kann.The strip projection method is ver with the evaluation of a large amount of information bound and also has the particular disadvantage that the to be checked or ver measuring surface must be diffusely reflective so that a sufficient part of the projected stripe pattern with sufficient contrast on the image plane for evaluation can be imaged on the CCD camera.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, das bzw. die eine gegenüber dem Streifenprojektionsverfahren verein fachte Handhabung erlaubt und zudem für nicht oder nur gering diffus reflektierende Oberflä chen geeignet ist. It is an object of the invention, a method and an apparatus of the type mentioned to provide the one or the other compared to the strip projection method Easy handling allowed and also for non or only slightly diffusely reflecting surfaces Chen is suitable.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem
This problem is solved by a method in which

a) at least one measuring line is generated in space by means of the electromagnetic radiation, whose spatial coordinates are known relative to a certain reference point,
b) the at least one measuring line is checked at least once in relation to the object surface a measuring position is moved in which the object surface has the at least one Intersects the measuring line at at least one intersection, whereby by the number of Measuring lines and / or the number of measuring positions are sufficient for the measurement Number of intersections is ensured,
c) by means of a camera and an image processing unit, including the Spatial coordinates of the measuring line are the spatial coordinates of those that can be captured by the camera Intersection points are determined
d) information about the contour of the intersection points from the spatial coordinates Object surface can be obtained.

Hierdurch kann im Vergleich zum Streifenprojektionsverfahren die zu verarbeitende Datenmenge drastisch reduziert werden, wodurch insbesondere eine schnellere Auswertung möglich ist. Zudem kann eine effektive Vermessung auch bei nicht diffus reflektierenden Oberflächen durchgeführt werden, weil man nicht darauf angewiesen ist, mit der Kamera einen größeren Bereich der Objektoberfläche zu betrachten. So kann z. B. bei spiegelnden Oberflächen ohne weiteres mit nur einer Messlinie oder wenigen, dicht nebeneinander liegenden Messlinien gearbeitet werden, die dann über die Oberfläche in hinreichend viele Messpositionen geführt werden. Diffus reflektierte Strahlung ist für diese Art der Messung nicht notwendig.In this way, the one to be processed can be compared to the strip projection method Amount of data can be drastically reduced, which in particular means faster evaluation is possible. In addition, effective measurement can also be carried out with non-diffusely reflecting Surfaces are carried out because one does not have to rely on the camera to view a larger area of the object surface. So z. B. with reflective surfaces easily with just one measuring line or a few measuring lines lying close together be worked, which then led over the surface in a sufficient number of measuring positions become. Diffuse reflected radiation is not necessary for this type of measurement.

Falls bestimmte geometrische Eigenschaften des Objekts vorgegeben sind, z. B. eine Zylinderform des Objekts, können bereits sehr wenige Messpositionen zur Ermittlung der noch unbekannten Größe(n), z. B. des Radius, hinreichend sein.If certain geometric properties of the object are specified, e.g. Legs Cylindrical shape of the object, very few measurement positions can be used to determine the still unknown size (s), e.g. B. the radius, be sufficient.

Sollte die Objektoberfläche parallel zur Messlinie verlaufen, ergibt sich eine Schnittlinie, die hier als Aufreihung einer unendlich hohen Anzahl von Schnittpunkten mit unendlich geringem Abstand aufzufassen ist.If the object surface runs parallel to the measuring line, there is a cutting line, which is here as a string of an infinitely high number of intersections with an infinitely small number Distance is to be understood.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgeführt werden, dass als elektromagnetische Strahlung Laserstrahlung eingesetzt wird. The method according to the invention can be carried out in such a way that it is electromagnetic Radiation laser radiation is used.

Es kann vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren so auszuführen, dass die mindestens eine Messlinie eine mittels eines diffraktiven optischen Elements, insbesondere eines Hologramms, erzeugte reelle Abbildung ist. In diesem Fall bilden die Schnittpunkte der Messlinie mit der Objektoberfläche strahlungsintensive Punkte auf dieser Oberfläche. Eine hohe Genauigkeit der Konturvermessung kann durch einen entsprechend geringen Querschnitt der Messlinie von etwa 20 bis 30 µm erreicht werden.It can be advantageous to carry out the method according to the invention such that the at least one measuring line by means of a diffractive optical element, in particular one Hologram, real image generated is. In this case, the intersection of the Measuring line with the object surface radiation-intensive points on this surface. A high The accuracy of the contour measurement can be reduced by a correspondingly small cross section Measuring line of about 20 to 30 µm can be achieved.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft auch so ausgeführt werden, dass die mindestens eine Messlinie die Schnittlinie zweier mit Linienprojektoren erzeugter Strahlungsbündel mit linienförmigem und weitgehend konstantem Querschnitt ist.The method according to the invention can advantageously also be carried out in such a way that the at least one measuring line is the intersection of two lines generated with line projectors Radiation beam with a linear and largely constant cross section.

Im Falle zweier, z. B. mit Linienprojektoren erzeugter Strahlungsbündel wird eine einzige Schnittlinie, d. h. Messlinie erzeugt, deren Querschnittsausdehnung vom Querschnitt der Strahlungsbündel bestimmt wird. Anders als bei der Verwendung eines Hologramms entstehen bei der Bestrahlung der Objektoberfläche mit den beiden Strahlungsbündeln auf der Objektoberfläche zwei scharfe linienförmige, jeweils durch eines der Strahlungsbündel erzeugte Reflexionslinien, deren jeweiliger Verlauf durch die Kontur der Objektoberfläche und die Bestrahlungsrichtung vorgegeben ist. Jeder Schnittpunkt der beiden Reflexionslinien miteinander stellt einen Schnittpunkt der Messlinie mit der Objektoberfläche dar.In the case of two, e.g. B. radiation beam generated with line projectors becomes a single Cutting line, d. H. Measuring line generated, the cross-sectional dimension of the cross-section of the Radiation beam is determined. Different than when using a hologram when irradiating the object surface with the two radiation beams on the Object surface two sharp line-shaped, each generated by one of the radiation beams Reflection lines, their respective course through the contour of the object surface and the Irradiation direction is specified. Every intersection of the two reflection lines with each other represents an intersection of the measuring line with the object surface.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass zur Bewegung der Messlinie die Strahlungsbündel gleichzeitig relativ zur Objektoberfläche bewegt werden, wobei die Strahlungsbündel relativ zueinander fixiert sind.Furthermore, the method according to the invention can be carried out in such a way that for moving the Measuring line, the radiation beams are simultaneously moved relative to the object surface, whereby the radiation beams are fixed relative to one another.

Alternativ wäre es selbstverständlich möglich, die Messlinie durch Bewegung eines einzelnen der die Strahlungsbündel erzeugenden Linienprojektoren zu bewegen. Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch so ausgeführt werden, dass zur Bewegung der Messlinie zumindest eines der Strahlungsbündel um eine zum Verlauf der Messlinie im wesentlichen parallelen Achse geschwenkt wird. Diese Schwenkung kann durch eine Drehung des zugehörigen Linienprojektors erreicht werden.Alternatively, it would of course be possible to move the measurement line by moving an individual of the line projectors generating the radiation beams. After all, it can Methods according to the invention can also be carried out in such a way that for moving the measuring line at least one of the radiation beams essentially around the course of the measurement line parallel axis is pivoted. This pivoting can be done by rotating the associated line projector can be reached.

Die vorgenannte Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Mittel zur Bestrahlung der Objektoberfläche Mittel zur Erzeugung mindestens einer Messlinie im Raum umfassen und dass Mittel zur kontrollierten Bewegung der mindestens einen Messlinie relativ zur Objektoberfläche vorgesehen sind.The above object is achieved in a device of the type mentioned at the outset by that the means for irradiating the object surface means for generating at least one Include measuring line in space and that means for the controlled movement of the at least one measuring line relative to the Object surface are provided.

Weitere Ausbildungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 8 bis 13.Further training options of the device according to the invention result from the Subclaims 8 to 13.

Im folgenden werden anhand zweier Figuren eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine vorteilhafte Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.An advantageous embodiment of the inventive method and an advantageous embodiment of the invention Device shown.

Es zeigt schematischIt shows schematically

Fig. 1: zwei Linienprojektoren und eine Kamera auf einer Verfahreinheit bei der Vermessung eines Objekts in Aufsicht und Fig. 1: two line projectors and a camera on a moving unit when measuring an object in supervision and

Fig. 2: ein Stück des zu vermessenden Objekts mit Reflexionslinien aus der Sicht der Kamera. Fig. 2: a piece of the object to be measured with reflection lines from the point of view of the camera.

Fig. 1 zeigt schematisch in Aufsicht eine Verfahreinheit 1, auf der zwei Linienprojektoren 2 und 3 sowie eine Digitalkamera 4 fest installiert sind. Die Verfahreinheit 1 ist mittels einer hier nicht dargestellten Präzisionsverfahrachse in die durch den Doppelpfeil 5 angezeigte Richtungen verfahrbar. Die Linienprojektoren 2 und 3 erzeugen je ein linienförmiges Strahlungsbündel 6 und 7 mit weitgehend konstantem Querschnitt. Die Breite der Strahlungsbündel 6 und 7 beträgt etwa 25 µm. Die Linienprojektoren 2 und 3 sind derart gegeneinander ausgerichtet, dass sich die Strahlungsbündel 6 und 7 in einer geraden Linie, der Messlinie, schneiden. Die Messlinie befindet sich in Fig. 1 in einer ersten Messposition, in der sie die Oberfläche einer zu vermessenden Welle 8 mit einer Vertiefung 9 schneidet. Der Bereich der Welle 8, in dem die Strahlungsbündel 6 und 7 auf die Oberfläche der Welle 8 auftreffen, wird auf die Bildebene der Digitalkamera 4 abgebildet. Das Kamerabild wird mit einer hier nicht dargestellten Bildverarbeitungseinheit ausgewertet. Fig. 1 shows schematically in supervision a moving unit 1 , on which two line projectors 2 and 3 and a digital camera 4 are permanently installed. The travel unit 1 can be moved in the directions indicated by the double arrow 5 by means of a precision travel axis, not shown here. The line projectors 2 and 3 each generate a line-shaped radiation beam 6 and 7 with a largely constant cross section. The width of the radiation beams 6 and 7 is about 25 microns. The line projectors 2 and 3 are aligned with one another in such a way that the radiation beams 6 and 7 intersect in a straight line, the measurement line. The measuring line is marked in Fig. 1 in a first measuring position, it intersects one in which the surface to be measured shaft 8 having a recess 9. The region of the shaft 8 in which the radiation beams 6 and 7 strike the surface of the shaft 8 is imaged on the image plane of the digital camera 4 . The camera image is evaluated with an image processing unit, not shown here.

Fig. 2 zeigt mit Blickrichtung entlang der optischen Achse der Digitalkamera 4 einen Abschnitt der zu vermessenden Welle 8 mit der Vertiefung 9, die einen ebenen Boden 12 aufweist. Es sind zwei von den beiden Strahlungsbündeln 6 und 7 auf der Welle 8 erzeugte Reflexionslinien 10 und 11 dargestellt. Außerhalb der Vertiefung 9 verlaufen die beiden Reflexionslinien entsprechend der Kontur der Welle 8 und der Bestrahlungsrichtung gekrümmt und weisen zwei Schnittpunkte 14 und 15 auf, die gleichzeitig Schnittpunkte der Messlinie mit der Oberfläche der Welle 8 sind. Fig. 2 is looking along the optical axis of the digital camera 4 a portion of the shaft to be measured 8 with the recess 9, which has a flat bottom 12. Two reflection lines 10 and 11 generated by the two radiation beams 6 and 7 on the shaft 8 are shown. Outside the recess 9 , the two reflection lines are curved in accordance with the contour of the shaft 8 and the direction of irradiation and have two intersection points 14 and 15 , which are simultaneously intersection points of the measurement line with the surface of the shaft 8 .

In der Vertiefung 9 liegt die Schnittlinie der beiden Strahlungsbündel 6 und 7 genau auf dem Boden 12 der Vertiefung 9, so dass sich dort die beiden Reflexionslinien 10 und 11 zu einem gemeinsamen Linienabschnitt 13 vereinigen. Dieser Linienabschnitt 13 entspricht einer Schnittlinie der Messlinie mit dem Boden 12, mithin einer Aufreihung von Schnittpunkten mit unendlich kleinem Abstand zueinander.In the recess 9 , the intersection of the two radiation beams 6 and 7 lies exactly on the bottom 12 of the recess 9 , so that the two reflection lines 10 and 11 unite there to form a common line section 13 . This line section 13 corresponds to a line of intersection of the measurement line with the floor 12 , thus a line of intersection points with an infinitely small distance from one another.

Die Position der Messlinie im Raum ist durch die vorgegebene Geometrie des Messaufbaus festgelegt. Damit sind auch die Koordinaten der von der Digitalkamera 4 erfassbaren Schnittpunkte der Messlinie mit der Oberfläche der zu vermessenden Welle 8 bestimmbar.The position of the measuring line in the room is determined by the given geometry of the measuring setup. The coordinates of the intersection points of the measuring line with the surface of the shaft 8 to be measured, which can be detected by the digital camera 4, can thus also be determined.

Für die weitere Vermessung kann nun die Verfahreinheit 1 in Richtung auf die Welle zu oder von ihr weg bewegt werden, so dass die durch die Schnittlinie der beiden Strahlungsbündel 6 und 7 gegebene Messlinie eine andere Position relativ zur Welle 8 einnimmt. Durch hier nicht dargestellte Mittel kann zudem die Welle 8 parallel zu ihrer Längsrichtung kontrolliert verfahren sowie um ihre Achse kontrolliert gedreht werden, so dass die Welle 8 komplett vermessen werden kann. For the further measurement, the moving unit 1 can now be moved towards or away from the shaft, so that the measuring line given by the intersection of the two radiation beams 6 and 7 assumes a different position relative to the shaft 8 . By means not shown here, the shaft 8 can also move in a controlled manner parallel to its longitudinal direction and can be rotated in a controlled manner about its axis, so that the shaft 8 can be completely measured.

Reference list

11

Verfahreinheit
Travel unit

22nd

Linienprojektor
Line projector

33rd

Linienprojektor
Line projector

44th

Digitalkamera
Digital camera

55

Doppelpfeil
Double arrow

66

Strahlungsbündel
Radiation beam

77

Strahlungsbündel
Radiation beam

88th

Welle
wave

99

Vertiefung
deepening

1010th

Reflexionslinie
Line of reflection

1111

Reflexionslinie
Line of reflection

1212th

Boden der Vertiefung
Bottom of the depression

1313

Linienabschnitt
Line segment

1414

Schnittpunkt
Intersection

1515

Schnittpunkt
Intersection

Claims

1. A method for measuring the contour of an object surface using electromagnetic radiation, in which

a) at least one measuring line is generated in space by means of the electromagnetic radiation, the spatial coordinates of which are known relative to a specific reference point,
b) the at least one measuring line is moved at least once in a controlled manner relative to the object surface into a measuring position in which the object surface in each case intersects the at least one measuring line at at least one intersection ( 14 , 15 ), the number of measuring lines and / or the number of Measurement positions, a sufficient number of intersection points ( 14 , 15 ) is ensured for the measurement,
c) the spatial coordinates of the intersection points ( 14 , 15 ) detectable by the camera ( 4 ) are determined by means of a camera ( 4 ) and an image processing unit, taking into account the spatial coordinates of the measuring line,
d) information about the contour of the object surface is obtained from the spatial coordinates of the intersection points ( 14 , 15 ).

2. The method according to claim 1, characterized in that as electromagnetic Radiation laser radiation is used.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one measuring line by means of a diffractive optical element, in particular one Hologram, real image generated is.

4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one measuring line is the intersection of two radiation beams ( 6 , 7 ) with a linear and largely constant cross section.

5. The method according to claim 4, characterized in that for moving the measurement line, the radiation beams ( 6 , 7 ) are simultaneously moved relative to the object surface, the radiation beams ( 6 , 7 ) being fixed relative to one another.

6. The method according to claim 4, characterized in that for moving the measuring line at least one of the radiation beams ( 6 , 7 ) is pivoted about an axis substantially parallel to the course of the measuring line.

7. Device for measuring the contour of an object surface using electromagnetic radiation, comprising
Means ( 2 , 3 ) for irradiating the object surface with electromagnetic radiation, a camera ( 4 ) and an image processing unit for evaluating the camera image, characterized in that
the means ( 2 , 3 ) for irradiating the object surface comprise means for generating at least one measuring line in space and
that means ( 1 ) are provided for the controlled movement of the at least one measuring line relative to the object surface.

8. The device according to claim 7, characterized in that as electromagnetic radiation laser light is used.

9. The device according to claim 7 or 8, characterized in that the means for Generation of the at least one measuring line are fixed on a travel unit that are relative to the measuring object surface can be moved in a controlled manner.

10. The device according to claim 9, characterized in that the camera ( 4 ) is installed on the moving unit.

11. The device according to one of claims 7 to 10, characterized in that the means for generating the at least one measuring line is a diffractive optical element, in particular a hologram.

12. Device according to one of claims 7 to 10, characterized in that for generating the at least one measuring line means for generating at least two themselves intersecting radiation beam with a linear and largely constant cross-section are provided.

13. The apparatus according to claim 12, characterized in that at least one of the Beams of radiation around an axis essentially parallel to the course of the measuring line is pivotable.