DE102012113021A1 - Measuring instrument for three-dimensional visual measuring of dark objects, has projection unit arranged on pattern generator for topometric analysis of wide-band laser light radiation backscattered from object - Google Patents

Measuring instrument for three-dimensional visual measuring of dark objects, has projection unit arranged on pattern generator for topometric analysis of wide-band laser light radiation backscattered from object Download PDF

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Alexander Brzank
Mladen Gomercic
Thorsten Bothe
Patrick Heine
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GOM Gesellschaft fuer Optische Messtechnik mbH
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    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2513—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object with several lines being projected in more than one direction, e.g. grids, patterns

Abstract

The instrument has a projection unit (3) projecting a pattern e.g. strip pattern, on an object (2). An image recording unit (6) records the pattern backscattered from the object. The projection unit comprises one or multiple laser light sources i.e. wide-band laser light sources, for emitting laser light upon a pattern generator (4) i.e. micro mirror unit. The projection unit is arranged on the pattern generator for topometric analysis of a wide-band laser light radiation backscattered from the object and the recorded pattern without additional procedures. An independent claim is also included for a method for three-dimensional (3D) visual measuring of objects.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten mit einem topometrischen Sensor, der mindestens eine Projektionseinheit zur Projektion eines Musters auf ein Objekt und mindestens eine Bildaufnahmeeinheit hat, wobei die Projektionseinheit mindestens eine Laserlichtquelle und einen mit der Laserlichtstrahlung der mindestens einen Laserlichtquelle beaufschlagbaren Mustergenerator aufweist.The invention relates to a measuring device for the three-dimensional optical measurement of objects with a topometric sensor, which has at least one projection unit for projecting a pattern on an object and at least one image acquisition unit, wherein the projection unit at least one laser light source and one with the laser light radiation of the at least one laser light source can be acted upon pattern generator having.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten mit einer solchen Messeinrichtung.The invention further relates to a method for the three-dimensional optical measurement of objects with such a measuring device.

Die dreidimensionale optische Erfassung von Objektoberflächen mittels optischer Triangulationssensoren nach dem Prinzip der Topometrie ist hinreichend bekannt. Hierbei werden Muster insbesondere Streifenmuster auf das zu vermessende Objekt projiziert. Das rückgestreute Muster wird von einer oder mehreren Bildaufnahmeeinheiten (in der Regel Kameras), aufgenommen und anschließend durch eine Bildauswerteeinheit ausgewertet.The three-dimensional optical detection of object surfaces by means of optical triangulation sensors according to the principle of topometry is well known. In this case, patterns, in particular stripe patterns, are projected onto the object to be measured. The backscattered pattern is recorded by one or more image acquisition units (usually cameras), and then evaluated by an image evaluation unit.

Die durch die Projektionseinheit projizierten Muster können mannigfaltig ausgestaltet sein. Typische projizierte Muster sind stochastische aber auch regelmäßige Muster (z. B. Punkt- und Streifenmuster). Insbesondere Streifenmuster haben sich als gängiges Muster im Rahmen der optischen 3D-Messung etabliert.The patterns projected by the projection unit can be variously designed. Typical projected patterns are stochastic but also regular patterns (eg dot and stripe patterns). In particular, stripe patterns have established themselves as a common pattern in the context of optical 3D measurement.

Durch das projizierte Muster entsteht auf dem zu vermessenden Objekt eine künstliche, temporäre Textur. Diese wird durch eine oder mehrere Bildaufnahmeeinheiten erfasst. Anhand der künstlich erzeugten, im Allgemeinen a priori bekannten Textur können beleuchtete 3D-Punkte auf dem zu vermessenden Objekt eindeutig sowohl in der Projektionseinheit als auch der einen oder mehreren Bildaufnahmeeinheiten identifiziert werden.The projected pattern creates an artificial, temporary texture on the object to be measured. This is detected by one or more image acquisition units. On the basis of the artificially generated, generally a priori known texture illuminated 3D points on the object to be measured can be uniquely identified in both the projection unit and the one or more image recording units.

Durch ein Triangulationsverfahren (im Allgemeinen durch Vorwärtsschnitt) können die 3D-Koordinaten bestimmt werden. Dazu muss der gleiche Objektpunkt in mindestens zwei räumlich verschiedenen Aufnahmepositionen gemessen werden. Die Projektionseinheit kann dabei als inverse Kamera fungieren, so dass zur Bestimmung der 3D-Koordinaten die Messung mit einer Kamera ausreicht. In vielen Fällen kann es jedoch hilfreich sein, mehrere Kameras zur Erfassung der projizierten Textur zu verwenden. Insbesondere kann es sinnvoll sein, die Projektionseinheit einzig als Texturgeber zu nutzen und nicht bei der 3D-Punkt-Berechnung zu berücksichtigen, da die innere und äußere Orientierung des Projektors aufgrund seiner im Vergleich zu einer Kamera großen Masse und höheren Temperatur (aufgrund der Strahlungsquelle) häufig instabiler als für die beteiligten Kameras ist.By a triangulation method (generally by forward cutting) the 3D coordinates can be determined. For this, the same object point must be measured in at least two spatially different recording positions. The projection unit can act as an inverse camera, so that sufficient to determine the 3D coordinates, the measurement with a camera. In many cases, however, it may be helpful to use multiple cameras to capture the projected texture. In particular, it may be useful to use the projection unit solely as a texturizer and not to be considered in the 3D point calculation, since the inner and outer orientation of the projector due to its compared to a camera large mass and higher temperature (due to the radiation source) often more unstable than for the cameras involved.

Die Projektionseinheit umfasst zwei Kernbestandteile. Diese sind die Beleuchtungseinheit und der Mustergenerator. Die Beleuchtungseinheit stellt elektromagnetische Strahlung bereit. Je nach Ausführung der Beleuchtungseinheit wird elektromagnetische Strahlung mit charakterisierenden Eigenschaften erzeugt. Diese sind insbesondere der Wellenlängenbereich in dem die Lichtquelle Strahlung emittiert sowie die Leistung (je nach Fachgebiet auch als Strahlungsfluss oder Leuchtdichte bezeichnet).The projection unit comprises two core components. These are the lighting unit and the pattern generator. The lighting unit provides electromagnetic radiation. Depending on the design of the lighting unit electromagnetic radiation is generated with characterizing properties. These are in particular the wavelength range in which the light source emits radiation and the power (also referred to as radiation flux or luminance depending on the field of expertise).

Der Mustergenerator kann mannigfaltig ausgestaltet sein. So können z. B. Glasdias verwendet werden, welche das zu projizierende Muster enthalten. Es ist ebenfalls möglich, dass das Dia bezüglich der Lichtquelle in Bewegung gebracht wird (z. B. Rotation und/oder Translation). Darüber hinaus können programmierbare Displays wie Liquid-Crystal-On-Silicon (LCOS), Liquid-Crystal-Display (LCD) und digitale Mikrospiegeleinheiten (Digital Micromirror Device – DMD) eingesetzt werden. Programmierbare Displays bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber analogen Mustergeneratoren. Insbesondere können prinzipiell unendlich verschiedene Muster projiziert werden.The pattern generator can be designed manifold. So z. As glass slides are used which contain the pattern to be projected. It is also possible that the slide is made to move with respect to the light source (eg, rotation and / or translation). In addition, programmable displays such as liquid crystal on-silicon (LCOS), liquid crystal display (LCD) and digital micromirror device (DMD) can be used. Programmable displays offer a number of advantages over analog pattern generators. In particular, infinitely different patterns can be projected in principle.

Topometrische Sensoren arbeiten zu großer Mehrheit im Bereich des sichtbaren Lichtes. Dabei gibt es sowohl Systeme, die das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichtes nutzen (Weißlicht) aber auch einzelne schmalbandige Bereiche (z. B. Rot-, Grün- oder Blaulicht). Vorbekannt sind auch Systeme, die im nahen Infrarot oder im Ultraviolett-Bereich arbeiten.Topometric sensors work to a large majority in the visible light range. There are systems that use the entire spectrum of visible light (white light) but also single narrow-band areas (eg red, green or blue light). Previously known are systems that work in the near infrared or ultraviolet range.

Die Begrenzung auf einen schmalbandigen Bereich des Spektrums birgt einige Vorteile. So werden fehlerhafte Bildpunktmessungen aufgrund von chromatischer Abberation und Umgebungslichteinfluss deutlich reduziert. Andererseits können gegebenenfalls Objekte mit spezifischer Farbe nicht mehr erfolgreich vermessen werden (z. B. rotes Objekt beleuchtet mit einer grünen Lichtquelle) und es treten sogenannte Speckle auf.Limiting to a narrow band of the spectrum has some advantages. Thus, defective pixel measurements due to chromatic aberration and ambient light influence are significantly reduced. On the other hand, if necessary, objects with a specific color can no longer be successfully measured (for example, a red object illuminated with a green light source) and so-called speckles occur.

Typischerweise wird die Projektionseinheit so konzipiert, dass die Beleuchtungseinheit eine hohe nutzbare Leistung generiert. Dadurch wird ebenfalls der negative Umgebungslichteinfluss minimiert. Weiterhin ermöglicht eine hohe Lichtleistung kurze Belichtungszeiten. Dadurch ist das topometrische System robust gegen Relativbewegungen zwischen topometrischem Sensor und zu vermessendem Objekt. Weiterhin können so auch Objekte mit für das Messverfahren ungünstigem Reflexionsverhalten (z. B. gerichtete Reflexion, dunkle Objekte) gemessen werden. Weiterhin kann je nach Ausführung des Sensors der Arbeitsabstand zum Messobjekt beziehungsweise das Messvolumen vergrößert werden.Typically, the projection unit is designed so that the lighting unit generates a high usable power. This also minimizes the negative ambient light influence. Furthermore, a high light output allows short exposure times. As a result, the topometric system is robust against relative movements between the topometric sensor and the object to be measured. Furthermore, it is also possible to measure objects with reflection behavior that is unfavorable to the measurement method (eg directional reflection, dark objects). Furthermore, depending on the design of the sensor the working distance to the measurement object or the measurement volume can be increased.

Vorbekannt sind eine Reihe von Beleuchtungseinheiten mit verschiedenartigen Lichtquellen innerhalb einer Projektionseinheit. Diese sind zum Beispiel Halogenlampe, Kurzbogenlampe, Metalldampflampe und Leuchtdiode. Vorbekannt ist auch der Einsatz eines Lasers in einer Projektionseinheit. Es handelt sich hierbei um Licht, welches durch stimulierte Emission erzeugt wird. Aufgrund der Erzeugung zeichnet sich die Laserstrahlung durch mehrere charakteristische Eigenschaften aus, welches Licht der vorgenannten Quellen im Allgemeinen nicht aufweist. So erzeugt der Laser kohärente Strahlung, also Strahlung gleicher Phasenlage. Zudem bewegt sich die emittierte Strahlung innerhalb eines engen Frequenzbandes. Man spricht auch von monochromatischem bzw. schmalbandigen Licht. Die emittierte Hauptwellenlänge hängt dabei vom aktiven Medium ab (z. B. Helium-Neon-Laser: 632,8 nm).Previously known are a number of lighting units with different types of light sources within a projection unit. These are for example halogen lamp, short arc lamp, metal halide lamp and light emitting diode. Also previously known is the use of a laser in a projection unit. It is light generated by stimulated emission. Due to the generation of the laser radiation is characterized by several characteristic properties, which does not have light of the aforementioned sources in general. Thus, the laser generates coherent radiation, ie radiation of the same phase. In addition, the emitted radiation moves within a narrow frequency band. One speaks also of monochromatic or narrow-band light. The emitted main wavelength depends on the active medium (eg helium-neon laser: 632.8 nm).

Aufgrund des engen Frequenzbereiches interferieren die Laserstrahlen gewöhnlich sichtbar miteinander. Als charakteristisches Kriterium wird die Kohärenzlänge verwendet. Sie bezeichnet die maximale Weglänge bei der für zwei Lichtstrahlen aus der gleichen Lichtquelle noch ein Referenzmuster entsteht. Die Kohärenzlänge steigt, je schmalbandiger die Lichtquelle ist.Due to the narrow frequency range, the laser beams usually interfere visually with each other. The characteristic criterion is the coherence length. It refers to the maximum path length at which two reference beams are produced from the same light source. The coherence length increases, the narrower the light source.

Die Messgenauigkeit eines topometrischen Sensors ist nicht zuletzt abhängig von der Güte des projizierten Musters. Eine homogene Lichtquelle ohne Interferenzmuster ist am besten geeignet, das durch den Mustergenerator bereitgestellte Muster unverfälscht zu projizieren. Treten hingegen Interferenzmuster auf, so resultieren sie in einer ungleichmäßigen Ausleuchtung und ergeben in Kombination mit dem bereitgestellten Muster ein Mischsignal.The measuring accuracy of a topometric sensor is not least dependent on the quality of the projected pattern. A homogeneous light source without interference pattern is best suited to project the pattern provided by the pattern generator unadulterated. On the other hand, if interference patterns occur, they result in uneven illumination and, in combination with the provided pattern, produce a mixed signal.

Vorbekannt sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bei denen ein schmalbandiger Laser als Lichtquelle eingesetzt wird. Dabei treten unerwünschte Interferenzen auf, die sich auf einer Objektoberfläche als ungleichmäßige, körnige Ausleuchtung widerspiegeln. Man spricht von sogenannten Specklemustern. Bei der Verwendung eines schmalbandigen Lasers muss dieser physikalische Effekt berücksichtigt werden. Diesbezüglich gibt es verschiedene Methoden, wobei diese sich grob in zwei Strategien unterteilen lassen. Eine Strategie ist das Ausnutzen der Interferenz von schmalbandigen Lasern z. B. zur direkten Erzeugung von Streifen oder anderen Interferenzmustern. Die zweite Strategie beinhaltet das Ergreifen von geeigneten Maßnahmen, um Specklemuster zu reduzieren bzw. zu verhindern.Previously known are various methods and devices in which a narrow band laser is used as the light source. This results in unwanted interference, which is reflected on an object surface as uneven, grainy illumination. One speaks of so-called bacon patterns. When using a narrowband laser, this physical effect must be considered. There are several methods in this regard, which can be roughly divided into two strategies. One strategy is to exploit the interference of narrowband lasers e.g. As for the direct generation of stripes or other interference patterns. The second strategy involves taking appropriate measures to reduce or prevent speckle patterns.

Aus Joseph W. Goodman: Speckle phenomena in optics, theory and applications, 2007, ISBN: 0-9747077-9-1 ist bekannt, dass sich das Specklemaß durch Nutzung mehrerer schmalbandiger Laserlichtquellen nach einer Faustformel mit dem Faktor 1/n1/2 mit der Anzahl der Laserlichtquellen reduziert, wobei n der Anzahl der verwendeten, schmalbandigen Laserlichtquellen entspricht.Out Joseph W. Goodman: Speckle phenomena in optics, theory and applications, 2007, ISBN: 0-9747077-9-1 It is known that the specklemass is reduced by the use of several narrow-band laser light sources according to a rule of thumb with the factor 1 / n 1/2 with the number of laser light sources, where n corresponds to the number of narrowband laser light sources used.

In Duan Xiao-jie, Duan Fa-jie und Lv Chang-rong: Phase stabilizing method based on PTAC for fiber-optic interference fringe projection profilometry, Optics & Laser Technology, Volume 47, April 2013, Seiten 137 bis 143 ist ein System zur topmetrischen Vermessung von Objekten offenbart, bei dem ein Laserlichtstrahl durch einen Strahlteiler aufgespalten wird. Anschließend werden die beiden Strahlen jeweils getrennt über einen Lichtleiter zu einem Doppelspalt geführt. Die beiden Strahlen interferieren dort miteinander und erzeugen ein Streifenmuster, welches in bekannter Weise auf ein Objekt projiziert und anschließend von einer Kamera aufgenommen wird. Anhand der Bestimmung von homologen Bildpunkten durch Auswertung der Streifenmuster in Kamera und Projektor können bei bekannter innerer und äußerer Orientierung von Kamera und Projektor 3D-Koordinaten des Objekts berechnet werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass die exakte Erzeugung von mehreren Streifenmustern mit einem vorgegebenen Phasenunterschied Δφ mit einem hohen technischen Aufwand verbunden ist. Weiterhin nimmt die Amplitude des erzeugten Sinus-Signals zu beiden Seiten deutlich ab.In Duan Xiao-jie, Duan Fa-jie and Lv Chang-rong: Phase stabilizing method based on PTAC for fiber-optic interference fringe projection profilometry, Optics & Laser Technology, Volume 47, April 2013, pages 137-143 discloses a system for topometric measurement of objects, in which a laser light beam is split by a beam splitter. Subsequently, the two beams are each guided separately via a light guide to a double gap. The two beams interfere with each other there and produce a striped pattern, which is projected in a known manner on an object and then recorded by a camera. On the basis of the determination of homologous pixels by evaluating the stripe patterns in the camera and the projector, 3D coordinates of the object can be calculated with known internal and external orientation of camera and projector. A disadvantage of this method, however, is that the exact generation of multiple stripe patterns with a predetermined phase difference Δφ is associated with a high technical complexity. Furthermore, the amplitude of the generated sine signal decreases significantly on both sides.

In Martin Schaffer, Marcus Große, Bastian Harendt und Richard Kowarschik: Outdoor three-dimensional shape measurements using laser-based structured illumination, Optical Engineering, Volume 51, Issue, OE Letters, September 2012 ist ein topometrisches optisches Messverfahren beschrieben, bei der Strahlung einer Laserlichtquelle auf einen Diffusor fokussiert wird. Hier treten pseudozufällige Interferenzmuster auf, die sich in Abhängigkeit von der Ausrichtung des Diffusors zum Laserstrahl ändern. Durch eine weitere Optik wird das Interferenzmuster auf das zu vermessende Objekt projiziert. Zwei ortsfest zueinander angeordnete Kameras erfassen das rückgestreute Signal des Objektes. Im Folgenden wird eine Reihe von Messbildern durch die beiden Kameras aufgenommen, wobei der Diffusor durch eine entsprechende technische Vorrichtung in der Lage bezüglich des auftreffenden Laserstrahls verändert wird. Dadurch wird für jede i.-te Messung ein eigenes Interferenzmuster erzeugt. Im Gegensatz zu dem oben diskutierten, in Duan Xiao-jie et al. (2013) offenbarten System ist die exakte Kenntnis des projizierten Interferenzmusters unerheblich, da die 3D-Punkt-Berechnung ausschließlich die aufgenommenen Kamerabilder berücksichtigt. Zu den Nachteilen dieses Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung zählt, dass das projizierte Muster nicht bekannt ist. Der Projektor kann somit nicht als inverse Kamera eingesetzt werden, so dass immer mindestens zwei Kameras benötigt werden. Weiterhin kann keine wie bei der Streifenprojektion übliche pixelweise Auswertung und 3D-Punkt-Berechung erfolgen, da nur Matching-Verfahren eingesetzt werden können, um das pseudo-stochastische Muster auszuwerten. Dadurch wird sowohl die Ortsauflösung als auch die Messgenauigkeit begrenzt.In Martin Schaffer, Marcus Grosse, Bastian Harendt and Richard Kowarschik: Three-Dimensional Shape Measurements Using Laser-based Structural Illumination, Optical Engineering, Volume 51, Issue, OE Letters, September 2012 a topometric optical measuring method is described in which radiation of a laser light source is focused on a diffuser. Here, pseudo-random interference patterns occur, which change depending on the orientation of the diffuser to the laser beam. By another optics, the interference pattern is projected onto the object to be measured. Two fixedly arranged cameras capture the backscattered signal of the object. In the following, a series of measurement images are taken by the two cameras, wherein the diffuser is changed by a corresponding technical device capable of the incident laser beam. As a result, a separate interference pattern is generated for every ith measurement. In contrast to the one discussed above, in Duan Xiao-jie et al. (2013) disclosed system, the exact knowledge of the projected interference pattern is irrelevant, since the 3D point calculation only takes into account the captured camera images. Among the disadvantages of this method and the associated device is that the projected pattern is unknown. The projector can not be used as an inverse camera so that always at least two cameras are needed. Furthermore, it is not possible to perform pixel-like evaluation and 3D point calculation, as is the case with fringe projection, since only matching methods can be used to evaluate the pseudo-stochastic pattern. This limits both the spatial resolution and the measurement accuracy.

Während die topometrischen Messverfahren von Duan Xiao-jie et al. (2013) und Schaffer et al. (2012) auf verschiedene Weise die Interferenzeigenschaften eines schmalbandigen Lasers zur Mustererzeugung ausnutzen, wird in Christoph Ohrt, Wito Hartmann, Johannes Weickmann, Markus Kästner, Albert Weckenmann, Tino Hausotte und Eduard Reithmeier: Holistic measurement in the sheet-bulk metal forming process with fringe projection, Procceedings ESAFORM 15th ESAFORM conference, März 2012, Seiten 1005–1010 eine Messeinrichtung vorgestellt, die durch geeignete technische Maßnahmen versucht, auftretende Specklemuster zu unterdrücken. Dort ist ein System zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten mit einer Laserlichtquelle in Kombination mit einer digitalen Mikrospiegeleinheit beschrieben. Eine solche digitale Mikrospiegeleinheit wird auch als „Digital Micromirror Device” DMD bezeichnet. Er besteht im Wesentlichen aus einem Flächenlichtmodulator, der aus matrixförmig angeordneten Mikrospiegelaktoren, das heißt verkippbar spiegelnden Flächen gebildet ist. Die Ausrichtung der Vielzahl von einzeln bewegbaren Spiegeln ist durch digitale Ansteuerung einzeln anpassbar. Das Laserlicht wird auf eine rotierende Diffusorscheibe projiziert. Hier ergeben sich zeitlich veränderte Interferenzmuster, welche nachfolgend auf ein schaltbares Display (z. B. eine digitale Mikrospiegeleinheit – DMD) geleitet werden. Der DMD generiert durch die separate Steuerung jedes einzelnen Spiegels ein Streifenmuster, welches über eine Vielzahl von Lichtleitern (ca. 100.000 einzelne Leiter) zu einer Optik geleitet und dort auf das zu messende Objekt projiziert wird. Über eine analoge Lichtleiter-Optik-Konfiguration wird das reflektierte Licht auf einen CCD-Sensor übertragen. Gleichartig zu Duan Xiao-jie et al. (2013) können 3D-Koordinaten des Objektes durch Auswertung der Streifeninformation und bekannter innerer und äußerer Orientierungsparameter berechnet werden. Die Specklemuster werden bei diesem Verfahren und der Vorrichtung dadurch unterdrückt, dass zwar das zu einem Zeitpunkt t0 auf den DMD projizierte schmalbandige Laserlicht ein bestimmtes Specklemuster aufweist, jedoch die projizierte Lichtenenergie über einen gewissen Integrationszeitraum aufgrund des zeitlich variierenden Specklemusters für jeden Lichtkegelbereich sehr ähnlich ist. Da die Kamera nicht für einen Einzelzeitpunkt ti sondern immer für einen Belichtungszeitraum Photonen einsammelt, kann so zeitlich eine relativ gleichmäßige Ausleuchtung erzielt werden. Der Nachteil dieses Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung ist, dass Specklemuster bei kurzen Belichtungszeiten dennoch sichtbar auftreten können und das Messergebnis verfälschen.While the topometric measurement of Duan Xiao-jie et al. (2013) and Schaffer et al. (2012) in various ways take advantage of the interference characteristics of a narrowband laser for pattern generation, in Christoph Ohrt, Wito Hartmann, Johannes Weickmann, Markus Kästner, Albert Weckenmann, Tino Hausotte and Eduard Reithmeier: Holistic measurement in the sheet-bulk metal forming process with fringe projection, Procceedings ESAFORM 15th ESAFORM conference, March 2012, pages 1005-1010 presented a measuring device that tries to suppress occurring Specklemuster by appropriate technical measures. There, a system for the three-dimensional measurement of objects with a laser light source in combination with a digital micromirror unit is described. Such a digital micromirror unit is also referred to as "digital micromirror device" DMD. It consists essentially of a surface light modulator, which is formed of matrix-shaped micro-mirror actuators, that is tiltable reflecting surfaces. The orientation of the plurality of individually movable mirrors can be individually adapted by digital control. The laser light is projected onto a rotating diffuser disk. This results in temporally changed interference patterns, which are subsequently directed to a switchable display (eg a digital micromirror unit - DMD). Due to the separate control of each mirror, the DMD generates a stripe pattern, which is directed via a multitude of light guides (approximately 100,000 individual conductors) to an optic and projected there onto the object to be measured. The reflected light is transmitted to a CCD sensor via an analog optical fiber optic configuration. Equally too Duan Xiao-jie et al. (2013) 3D coordinates of the object can be calculated by evaluating the strip information and known inner and outer orientation parameters. The speckle patterns are suppressed in this method and apparatus by the narrow-band laser light projected onto the DMD at a time t 0 having a particular speckle pattern, but the projected light energy is very similar over a certain integration period due to the time varying speckle pattern for each cone of light , Since the camera does not collect photons for a single time t i but always for one exposure period, a relatively uniform illumination can be achieved over time. The disadvantage of this method and the associated device is that speckle patterns can still occur visibly at short exposure times and distort the measurement result.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Messeinrichtung und ein verbessertes Verfahren zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten mit einem topometrischen Sensor zu schaffen, um unter Einsatz einer Laserlichtquelle eine homogene, specklearme Ausleuchtung bei gleichzeitig hoher Lichtleistung zu ermöglichen, ohne dass aufwendige Anti-Speckle-Maßnahmen notwendig sind.Proceeding from this, it is an object of the present invention to provide an improved measuring device and an improved method for three-dimensional optical measurement of objects with a topometric sensor to allow using a laser light source homogeneous, speckle-poor illumination with high light output without consuming anti -Speckle measures are necessary.

Die Aufgabe wird durch die Messeinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 14 erfüllt. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.The object is achieved by the measuring device with the features of claim 1 and by the method with the features of claim 14. Advantageous embodiments are described in the subclaims.

Es wird vorgeschlagen, dass die Projektionseinheit zur Beaufschlagung des Mustergenerators mit derart breitbandiger Laserlichtstrahlung eingerichtet ist, dass eine topometrische Auswertung des vom Objekt rückgestreuten und von der mindestens einen Bildaufnahmeeinheit aufgenommenen Musters ohne weitere Maßnahmen zur Beseitigung der Effekte von Interferenzen in der mindestens einen Bildaufnahmeeinheit und/oder bei der Bildauswertung möglich ist. Mit Hilfe einer breitbandigen Laserlichtstrahlung gelingt eine von Interferenzeffekten unbeeinflusste Musterprojektion und eine bezüglich von Interferenzerscheinungen effektiv ungestörte Bildaufnahme und anschließende Bildauswertung.It is proposed that the projection unit is set up to act on the pattern generator with such broadband laser light radiation that a topometric evaluation of the pattern backscattered by the object and recorded by the at least one image acquisition unit without further measures to eliminate the effects of interference in the at least one image acquisition unit and / / or in the image analysis is possible. With the help of a broadband laser light radiation, a pattern projection, which is uninfluenced by interference effects, and an image recording which is effectively undisturbed with respect to interference phenomena and subsequent image evaluation, succeed.

Als Beleuchtungsquelle der Projektionseinheit wird bevorzugt eine breitbandige Laserlichtquelle verwendet. Eine solche breitbandige Laserlichtquelle sollte einen Frequenzbereich haben, der vorzugsweise nicht deutlich kleiner als der Frequenzbereich einer Leuchtdiode (LED) mit typischerweise etwa 30 nm ist. Aufgrund des im Vergleich zu schmalbandigen Laserlichtquellen, die innerhalb eines Toleranzbandes Laserlicht mit einer einzigen bevorzugten Frequenz emittieren, deutlich breiteren Frequenzbereiches ist die Kohärenzlänge so klein, dass messtechnisch störende Specklemuster deutlich reduziert sind. Der Frequenzbereich ist vorzugsweise größer 20 nm, bevorzugt größer 40 nm und sollte je nach Anwendung ggf. auch mehr als 60 nm betragen.As the illumination source of the projection unit, a broadband laser light source is preferably used. Such a broadband laser light source should have a frequency range which is preferably not significantly smaller than the frequency range of a light emitting diode (LED), typically about 30 nm. Because of the narrowband laser light sources, which emit laser light with a single preferred frequency within a tolerance band, a significantly wider frequency range, the coherence length is so small that metrologically interfering speckle patterns are significantly reduced. The frequency range is preferably greater than 20 nm, preferably greater than 40 nm and should, depending on the application, possibly be more than 60 nm.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Mustergenerator als digitale Mikrospiegeleinheit (DMD) ausgestaltet ist. Dadurch können ohne Änderung von Hardware durch einfache, programmierbare Ansteuerung sehr viele verschiedene Muster insbesondere auch Streifenmuster je nach Anwendung projiziert werden.It is particularly advantageous if the pattern generator is designed as a digital micromirror unit (DMD). As a result, a very large number of different patterns, in particular also striped patterns, can be projected depending on the application without changing the hardware by simple, programmable control.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn mehrere Laserlichtquellen mit verschiedenen Wellenlängenbereichen eingesetzt werden. Dabei ist es sowohl möglich, mehrere Laserlichtquellen mit sehr ähnlicher Hauptwellenlänge als auch sehr ungleicher Hauptwellenlänge zu verwenden. Günstigerweise besitzen alle Einzellaser jeweils selber ein relativ breites Frequenzspektrum. Durch die Kombination mehrerer Laserlichtquellen wird das genutzte Frequenzspektrum erweitert, so dass die Kohärenzlänge verringert und somit die Specklebildung deutlich reduziert wird. Mehrere Laserlichtquellen mit sehr ähnlicher Hauptwellenlänge sind dann sinnvoll, wenn mit einem begrenzten Wellenlängenbereich projiziert werden soll z. B. eine sichtbare Grundfarbe wie Blau, Grün oder Rot. Mehrere Laserquellen mit sehr ungleicher Hauptwellenlänge sind vorzuziehen, wenn ein sehr großer Wellenlängenbereich messtechnisch genutzt werden soll z. B. weißes Licht. It is particularly advantageous if a plurality of laser light sources with different wavelength ranges are used. It is both possible to use several laser light sources with very similar main wavelengths as well as very unequal main wavelengths. Conveniently, all the individual lasers themselves each have a relatively broad frequency spectrum. By combining several laser light sources, the frequency spectrum used is widened, so that the coherence length is reduced and thus the speckle formation is significantly reduced. Several laser light sources with very similar main wavelength are useful if you want to be projected with a limited wavelength range z. B. a visible base color such as blue, green or red. Several laser sources with very unequal main wavelengths are preferable when a very large wavelength range is to be used metrologically z. B. white light.

Vorteilhaft können auch ein oder mehrere gepulste Laser eingesetzt werden. Dabei ist es heutzutage technisch möglich, Pulszeiten von unter 100 fs (1 fs entspricht 10–15 s) zu realisieren. Das entspricht einer Pulslänge von kleiner gleich 0,3 μm. Die Laser werden auch als sogenannte Femtolaser bezeichnet. Gemäß dem Zeit-Bandbreite-Produkt steigt die Bandbreite eines Laserpulses mit abnehmender Pulslänge. Durch die extrem kurzen Pulszeiten ist die entstehende Laserstrahlung sehr viel breitbandiger als Laserstrahlung mit deutlich längeren Pulszeiten. Beispielsweise beträgt die Bandbreite eines Pulses mit einer Pulsdauer von 50 fs bei einer Wellenlänge von 500 nm ca. 33 nm. In einer vorteilhaften Ausführung werden deshalb ein oder mehrere Femtolaser als breitbandige Laserlichtquelle eingesetzt.Advantageously, one or more pulsed lasers can be used. It is nowadays technically possible to realize pulse times of less than 100 fs (1 fs corresponds to 10 -15 s). This corresponds to a pulse length of less than or equal to 0.3 μm. The lasers are also called so-called femtolaser. According to the time-bandwidth product, the bandwidth of a laser pulse increases with decreasing pulse length. Due to the extremely short pulse times, the resulting laser radiation is much broader than laser radiation with significantly longer pulse times. For example, the bandwidth of a pulse having a pulse duration of 50 fs at a wavelength of 500 nm is about 33 nm. In an advantageous embodiment, therefore, one or more femtolaser are used as a broadband laser light source.

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn das Licht einer oder mehrerer Laserlichtquellen durch ein geeignetes Medium gelenkt wird. Sofern die Leistungsdichte hoch genug ist (z. B. ≥ 105 W/cm2), sind die physikalischen Effekte (Absorption, Reflektion, Brechung, Streuung) beim Auftreffen des Lichts nicht mehr proportional zu den einwirkenden Feldstärken, sondern es treten sogenannte nichtlineare Effekte auf. So können durch Interaktion des Laserstrahls mit dem Medium weitere Lichtstrahlen mit einer anderen Wellenlänge generiert werden. Vorteilhaft sind z. B. generell bekannte Verfahren für die dreidimensionale optische Musterprojektionsmessung nutzbar, bei denen Oberwellen des Ausgangssignals als multiple Vielfache der Eingangsfrequenz erzeugt werden. Es ist weiterhin möglich, für zwei oder mehrere Lichtquellen verschiedene Linearkombinationen der Eingangsfrequenzen zu erzeugen. Durch eine an die jeweilige Anforderung angepasste, geeignete Wahl von Eingangsfrequenzen in Kombination mit einem geeigneten Medium ist es somit möglich, zwei oder mehr ähnliche Frequenzen zu erzeugen, die zusammen als Lichtquelle für den Mustergenerator fungieren. Andere nichtlineare Effekte vergrößern direkt die Bandbreite eines Lasers. Die Vergrößerung der Bandbreite erfolgt in der Regel in Richtung der längeren Wellenlänge.It has proven particularly advantageous if the light of one or more laser light sources is directed through a suitable medium. If the power density is high enough (eg ≥ 10 5 W / cm 2 ), the physical effects (absorption, reflection, refraction, scattering) on the impact of the light are no longer proportional to the applied field strengths, but so-called nonlinear ones occur Effects on. Thus, by interaction of the laser beam with the medium, further light beams with a different wavelength can be generated. Advantageous z. For example, it is possible to use generally known methods for three-dimensional optical pattern projection measurement in which harmonics of the output signal are generated as multiple multiples of the input frequency. It is also possible to generate different linear combinations of the input frequencies for two or more light sources. Thus, by appropriate choice of input frequencies, as appropriate to the particular requirement, in combination with a suitable medium, it is possible to generate two or more similar frequencies which together function as the light source for the pattern generator. Other non-linear effects directly increase the bandwidth of a laser. The increase in bandwidth is usually in the direction of the longer wavelength.

Vorteilhaft ist es, wenn ein oder mehrere gepulste Laser in Kombination mit einer digitalen Mikrospiegeleinheit (DMD) als Mustergenerator eingesetzt werden. In diesem Fall ist es sinnvoll, dass die Steuerung der Spiegelelemente des DMD mit der Erzeugung des Laserpulses synchronisiert ist. Dadurch wird sichergestellt, dass das Laserlicht genau dann auf die Spiegelflächen projiziert wird, wenn diese sich in Sollposition befinden. In der Zeitepoche, in der die Spiegelflächen entsprechend neu eingestellt werden, wird dann genau kein Laserlicht auf diese projiziert.It is advantageous if one or more pulsed lasers are used in combination with a digital micromirror unit (DMD) as a pattern generator. In this case, it makes sense that the control of the mirror elements of the DMD is synchronized with the generation of the laser pulse. This will ensure that the laser light is projected onto the mirror surfaces when they are in their desired position. In the time period in which the mirror surfaces are adjusted accordingly, then exactly no laser light is projected onto them.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Pulsenergie der erzeugten Laserpulse variiert wird. Dadurch ist es möglich, mehrere unterschiedliche Graustufen in kürzerer Zeit mit Hilfe der digitalen Mikrospiegeleinheit DMD zu erzeugen. Zur Erzeugung von 8-bit tiefen Grauwertbildern werden bei konstanter Pulsenergie acht verschiedene Bitplanes (Bitebene), d. h. acht verschiedene zweidimensionale Felder aus 1-bit Informationen, benötigt, wobei jede nachfolgende Bitplane genau doppelt so lange, wie sein Vorgänger belichtet werden muss. Wenn die Energie von einem einzelnen Puls für das Least-Significant-Bit (= kürzest zu belichtende Bitplane) verwendet wird, werden für 8-bit Grauwerte (1 + 2 + 4 + 8 + 16 + 32 + 64 + 128 =) 255 Pulse benötigt. Durch die geschickte Variation der Pulsenergie kann die gleiche Grauwerttiefe in deutlich geringerer Zeit erzeugt werden. Daher sind wählbare bzw. definiert abschwächbare Pulse wünschenswert.It is particularly advantageous if the pulse energy of the laser pulses generated is varied. This makes it possible to generate several different gray levels in a shorter time with the aid of the digital micromirror unit DMD. To generate 8-bit deep gray value images, eight different bit planes (bit plane), ie. H. Eight different two-dimensional arrays of 1-bit information are required, each succeeding bitplane having to be exposed exactly twice as long as its predecessor. When the energy from a single pulse is used for the least significant bit (= shortest bitplane to be exposed), for 8-bit gray values (1 + 2 + 4 + 8 + 16 + 32 + 64 + 128 =), 255 pulses are used needed. Due to the clever variation of the pulse energy, the same gray scale depth can be generated in significantly less time. Therefore, selectable and definable attenuable pulses are desirable.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Variation der Pulsenergie nicht direkt bei der Pulserzeugung erzielt, sondern durch einen nachgeschalteten Abschwächer (Attenuator). Dieses Bauteil erlaubt eine nachträgliche, steuerbare Abschwächung der Pulsenergie unabhängig von der Erzeugung des Laserpulses. Diese Ausführungsform bietet sich genau dann an, wenn die Laserlichtquelle bautechnisch nicht in der Lage ist, die Pulsenergie zu variieren.In a further advantageous embodiment, the variation of the pulse energy is not achieved directly in the pulse generation, but by a downstream attenuator (Attenuator). This component allows a subsequent, controllable attenuation of the pulse energy regardless of the generation of the laser pulse. This embodiment is ideal if the laser light source is structurally incapable of varying the pulse energy.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird als Abschwächer eine digitale Mikrospiegeleinheit DMD (im Folgenden als „Abschwäch-DMD” bezeichnet) eingesetzt. Es wird das Licht der breitbandigen Laserlichtquelle mit Hilfe einer geeigneten Optik über den Abschwäch-DMD geleitet. Je nach gewünschter Abschwächung der Pulsenergie wird eine entsprechend relativ korrespondierende Anzahl an Spiegelelementen so geschaltet, dass von ihnen kein Licht in den weiteren Strahlengang transportiert wird. Für die korrekte Abschwächung der Pulsenergie ist es dabei erforderlich, dass der Abschwäch-DMD mit der breitbandigen Laserlichtquelle und entsprechend auch mit dem DMD zur Erzeugung des Musters synchronisiert wird. In der baulichen Ausgestaltung kann der Abschwäch-DMD an verschiedenen möglichen Stellen angeordnet werden. So kann es günstig sein, den Abschwäch-DMD direkt vor einem Homogenisierer zu platzieren, der dem DMD zur Mustererzeugung vorgeschaltet ist. Dadurch ist die Synchronisation zwischen dem Abschwäch-DMD und dem DMD zur Mustererzeugung in der Regel einfacher zu realisieren. Ebenfalls kann es sinnvoll sein, den DMD direkt nach der Beleuchtungsquelle anzuordnen. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine vorteilhafte räumliche Trennung zwischen Beleuchtungseinheit und Mustergenerator. Diese Ausführung ermöglicht eine kompaktere und leichtere Ausführung des Sensorkopfes und bietet damit erhebliche Vorteile hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten (z. B. Messung des Interieurs in einem Automobil). Beim Einsatz mehrerer breitbandiger Laserlichtquellen kann es vorteilhaft sein, entsprechend der vorherigen Beschreibung genau einen Abschwäch-DMD einzusetzen, wobei das Laserlicht der verschiedenen Quellen vorher durch eine geeignete bauliche Ausgestaltung zusammengeführt wurde. Ebenfalls kann es vorteilhaft sein, pro breitbandiger Laserlichtquelle jeweils einen eigenen Abschwäch-DMD vorzusehen. Diese Ausführungsform bietet sich insbesondere dann an, wenn die Laserlichtquelle und der Abschwächer in einer baulichen Einheit modular zusammengefasst werden sollen.In a further advantageous embodiment, the attenuator used is a digital micromirror unit DMD (referred to below as "attenuation DMD"). The light from the broadband laser light source is directed via the attenuation DMD using suitable optics. Depending on the desired attenuation of the pulse energy, a correspondingly corresponding number of mirror elements is switched such that no light is transported by them into the further beam path. For the correct attenuation of the pulse energy, it is necessary that the attenuation DMD with the broadband laser light source and is also synchronized with the DMD to generate the pattern. In the structural design, the attenuation DMD can be arranged at various possible locations. So it may be convenient to place the attenuation DMD directly in front of a homogenizer, which is upstream of the DMD for pattern generation. As a result, the synchronization between the attenuation DMD and the DMD for pattern generation is generally easier to realize. It may also be useful to arrange the DMD directly after the illumination source. This embodiment enables an advantageous spatial separation between the illumination unit and pattern generator. This design allows a more compact and lighter design of the sensor head and thus offers considerable advantages in terms of possible applications (eg measurement of the interior of an automobile). When using a plurality of broadband laser light sources, it may be advantageous to use exactly one attenuation DMD according to the previous description, wherein the laser light of the various sources has previously been brought together by a suitable structural design. It may also be advantageous to provide a separate attenuation DMD for each broadband laser light source. This embodiment is particularly suitable when the laser light source and the attenuator are to be modularly combined in a structural unit.

Weiterhin ist es für alle vorgenannten Ausführungsformen vorteilhaft, wenn in dem Strahlengang vor der Illuminierung des Mustergenerators und insbesondere eines DMD als Mustergenerator mindestens eine Photodiode eingebaut ist. Diese misst den Strahlungsfluss und kann damit direkt die Helligkeit des Laserlichts kontrollieren. Über einen Regelkreis wird diese Information genutzt, um die Helligkeit des Laserlichts durch Steuerung der Laserlichtquelle konstant zu halten. Damit wird gewährleistet, dass die projizierten Muster zeitlich konstant sind.Furthermore, it is advantageous for all the aforementioned embodiments if at least one photodiode is installed in the beam path prior to the illumination of the pattern generator and in particular of a DMD as a pattern generator. This measures the radiation flow and can thus directly control the brightness of the laser light. Via a control circuit, this information is used to keep the brightness of the laser light constant by controlling the laser light source. This ensures that the projected patterns are constant over time.

In einer vorteilhaften Ausführung erfolgt die Lichtzuführung von der mindestens einen Laserlichtquelle zum Mustergenerator über ein oder mehrere Glasfasern insbesondere in Form einer Multimodefaser. Dadurch ergeben sich einige Vorteile. So können die mindestens eine Lichtlichtquelle und der Mustergenerator optional baulich entkoppelt werden. Dadurch ist es möglich, im eigentlichen Sensorkopf nur den Mustergenerator sowie die eine oder mehrere Bildaufnahmeeinheiten vorzusehen, während die mindestens eine Laserlichtquelle außerhalb des Sensorkopfs angeordnet wird. Dadurch wird die Masse des Sensorkopfs deutlich reduziert, wodurch die mechanische und thermische Stabilität verbessert und damit die relative Orientierung zwischen Projektor und der/den Bildaufnahmeeinheiten deutlich robuster ist. Weiterhin fördert die Multimodefaser eine Durchmischung der Lichtstrahlen und wirkt dadurch ohne Aufwand zusätzlich dem Speckle-Effekt entgegen. Eine vorteilhafte Trennung von Laserlichtquelle und Mustergenerator ist denkbar bei einem automatisierten Einsatz mit einem Roboter. Die Laserlichtquelle kann ortsfest zum Roboterfuß angeordnet sein, während die Multimodefaser sowie weitere Verbindungskabel (z. B. Stromversorgung und Triggersignalgeber) am/im Roboter angebracht zum Sensorkopf führen. Eine Beschädigung der Laserlichtquelle bzw. der Multimodefaser ist bei sorgsamer Anordnung faktisch ausgeschlossen.In an advantageous embodiment, the light supply from the at least one laser light source to the pattern generator via one or more glass fibers, in particular in the form of a multi-mode fiber. This results in some advantages. Thus, the at least one light source and the pattern generator can optionally be structurally decoupled. This makes it possible to provide only the pattern generator and the one or more image recording units in the actual sensor head, while the at least one laser light source is arranged outside the sensor head. As a result, the mass of the sensor head is significantly reduced, whereby the mechanical and thermal stability is improved and thus the relative orientation between the projector and the image recording unit (s) is significantly more robust. Furthermore, the multimode fiber promotes a thorough mixing of the light rays and thus counteracts effortlessly in addition to the speckle effect. An advantageous separation of laser light source and pattern generator is conceivable in an automated use with a robot. The laser light source can be arranged stationary relative to the robot base, while the multimode fibers and other connection cables (eg power supply and trigger signal generator) attached to / in the robot lead to the sensor head. Damage to the laser light source or the multimode fiber is virtually ruled out with careful arrangement.

In einer vorteilhaften Ausführungsform werden mehrere Lichtquellen verwendet, wobei jede Lichtquelle über eine eigene Multimodefaser verfügt. Die Laserlichtquellen können dabei sowohl zusammenhängend oder räumlich entkoppelt ausgestaltet sein. Die Multimodefasern können nun einzeln zum Mustergenerator führen oder aber vorher zu einer großen Multimodefaser vereinigt werden.In an advantageous embodiment, a plurality of light sources are used, each light source having its own multimode fiber. In this case, the laser light sources can be designed to be both continuous or spatially decoupled. The multimode fibers can now lead individually to the pattern generator or previously combined into a large multimode fiber.

In einer vorteilhaften Ausführung wird die Laserstrahlung der einen oder mehreren Multimodefasern auf einen Diffusor geführt. Ziel dieses Diffusors ist die Aufweitung der nahezu parallelen Laserstrahlung, so dass das Licht nachfolgend durch einen Homogenisierer geleitet werden kann, so dass das Licht anschließend eine einheitliche Intensität (Leistung pro Fläche) über die ausgeleuchtete Fläche aufweist. Im Gegensatz zu den vorbekannten Anwendungen wird der Diffusor hier nicht eingesetzt, um ein zeitlich variierendes Specklemuster zu erzeugen, sondern einzig mit dem Ziel, den Laserstrahl aufzuweiten. Messtechnisch relevante Specklemuster entstehen bei diesem Verfahren und dieser Vorrichtung praktisch nicht, da das Licht nicht schmalbandig ist.In an advantageous embodiment, the laser radiation of the one or more multimode fibers is guided onto a diffuser. The aim of this diffuser is the expansion of the nearly parallel laser radiation, so that the light can be subsequently passed through a homogenizer, so that the light then has a uniform intensity (power per area) over the illuminated surface. In contrast to the previously known applications, the diffuser is not used here to produce a temporally varying speckle pattern, but solely with the aim of widening the laser beam. Technically relevant Specklemuster arise in this method and this device practically not because the light is not narrowband.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit drei beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to embodiments with three accompanying drawings. Show it:

1 – Skizze einer Vorrichtung zum dreidimensionalen optischen Vermessen mit einer breitbandigen Laserlichtquelle; 1 - Sketch of a device for three-dimensional optical measurement with a broadband laser light source;

2 – Skizze eines Strahlengangs in einer Projektionseinheit mit zwei breitbandigen Laserlichtquellen; 2 - Sketch of a beam path in a projection unit with two broadband laser light sources;

3 – Skizze einer Messeinrichtung zum dreidimensionalen optischen Vermessen mit zwei breitbandigen Laserlichtquellen in einer automatisierten Ausführung. 3 - Sketch of a measuring device for three-dimensional optical measurement with two broadband laser light sources in an automated version.

1 zeigt eine Messeinrichtung zum dreidimensionalen optischen Vermessen mit einer breitbandigen Laserlichtquelle. Der topometrische Sensor 1 zur berührungslosen Vermessung des Objektes 2 hat eine Projektionseinheit 3 sowie eine Bildaufnahmeeinheit 6. Die Projektionseinheit 3 besteht im Wesentlichen aus der Beleuchtungseinheit 5 sowie dem Mustergenerator 4. Sie ist so ausgestaltet, dass stochastische und oder regelmäßige Muster erzeugt und auf das zu messende Objekt 2 projiziert werden können. Die Beleuchtungseinheit 5 hat mindestens eine Laserlichtquelle und ist zur Ausstrahlung breitbandiger Laserlichtstrahlung eingerichtet, die einen Wellenlängenbereich von mindestens 30 nm im sichtbaren Licht umfasst. Aufgrund des für eine Laserlichtquelle breiten Frequenzspektrums treten keine messtechnisch relevanten Interferenzen auf. Der topometrische Sensor 1 wird durch eine Steuerungseinheit 7 (Controller) gesteuert. Die Auswertung der aufgenommenen Bilddaten der Bildaufnahmeeinheit 6 sowie der projizierten Musterdaten erfolgt durch eine Auswerteeinheit 8. Die Darstellung der Ergebnisse wird durch eine Darstellungseinheit 9 realisiert. Die Datenübertragung zwischen den einzelnen Komponenten erfolgt durch eine geeignete Kabelverbindung. 1 shows a measuring device for three-dimensional optical measurement with a broadband laser light source. The topometric sensor 1 for non-contact measurement of the object 2 has a projection unit 3 as well as one Imaging unit 6 , The projection unit 3 consists essentially of the lighting unit 5 as well as the pattern generator 4 , It is designed to produce stochastic and or regular patterns and to the object to be measured 2 can be projected. The lighting unit 5 has at least one laser light source and is adapted for the emission of broadband laser light radiation, which comprises a wavelength range of at least 30 nm in visible light. Due to the broad frequency spectrum for a laser light source, no metrologically relevant interferences occur. The topometric sensor 1 is through a control unit 7 (Controller) controlled. The evaluation of the recorded image data of the image acquisition unit 6 as well as the projected pattern data is performed by an evaluation unit 8th , The presentation of the results is by a presentation unit 9 realized. The data transmission between the individual components is made by a suitable cable connection.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführung der Beleuchtungseinheit 5 und des Mustergenerators 4. Zwei gepulste Laserlichtquellen 10a und 10b erzeugen jeweils eine breitbandige Laserlichtstrahlung. Die Hauptwellenlänge beider Laserlichtquellen 10a und 10b liegt im blauen sichtbaren Wellenlängenbereich, wobei diese sich um einige wenige Nanometer unterscheiden. Die Laserlichtquellen 10a, 10b sind miteinander synchronisiert. Über jeweils eine Multimodefaser 11a und 11b werden die Laserstrahlen in eine Abschwächeinheit 12 geleitet, wobei im Strahlengang zwischen der jeweiligen Multimodefaser 11a und 11b und der Abschwächeinheit 12 jeweils ein Strahlungsflussmesselement beispielsweise in Form von Photodioden 18a und 18b, von Phototransistoren, Fotowiderständen oder anderen zur Strahlungsflussmessung geeigneten Bauelementen platziert ist, das den Strahlungsfluss eines oder mehrerer Laserpulse der jeweiligen Laserlichtquelle 10a und 10b misst, um die Helligkeit des Laserlichts zu kontrollieren. Über einen Regelkreis wird diese Information genutzt, um die Helligkeit des Laserlichts durch Steuerung der Laserlichtquelle 10a, 10b möglichst konstant zu halten. Die Abschwächeinheit 12 enthält insbesondere eine digitale Mikrospiegeleinheit (Digital Micromirror Device DMD), die mit den Laserlichtquellen 10a und 10b synchronisiert ist. Je nach gewünschter prozentualer Abschwächung des jeweiligen Laserpulses wird eine entsprechende Anzahl an Spiegeln der digitalen Mikrospiegeleinheit DMD so geschaltet, dass das von ihnen reflektierte Licht nicht im Strahlengang weiter transportiert wird. Nachfolgend wird das (ggfs. abgeschwächte) Laserlicht auf einen Diffusor 13 geleitet. Auf diesem entsteht kein messtechnisch zu berücksichtigendes Interferenzmuster, da beide Laserlichtquellen 10a, 10b diesbezüglich hinreichend breitbandiges Licht bereitstellen. Der Diffusor 13 weitet den Laserstrahl auf. Nachfolgend wird das aufgeweitete Licht in einen Homogenisierer 14 geleitet. Dort kommt es zu einer Vermischung der Strahlung, so dass das Licht nachfolgend eine einheitliche Intensität über die ausgeleuchtete Fläche aufweist. Anschließend fällt dieses Licht auf die bilderzeugende digitale Mikrospiegeleinheit DMD 15. Mit Hilfe der Optik 16 wird das Licht mit dem per DMD 15 erzeugten Muster auf das zu messende Objekt 2 projiziert. 2 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the lighting unit 5 and the pattern generator 4 , Two pulsed laser light sources 10a and 10b each generate a broadband laser light radiation. The main wavelength of both laser light sources 10a and 10b lies in the blue visible wavelength range, which differ by a few nanometers. The laser light sources 10a . 10b are synchronized with each other. Each with a multimode fiber 11a and 11b the laser beams become a attenuation unit 12 directed, wherein in the beam path between the respective multi-mode fiber 11a and 11b and the attenuation unit 12 in each case a radiation flux measuring element, for example in the form of photodiodes 18a and 18b , is placed by phototransistors, photoresistors or other devices suitable for measuring radiation flux, the radiation flux of one or more laser pulses of the respective laser light source 10a and 10b measures to control the brightness of the laser light. A control circuit uses this information to control the brightness of the laser light by controlling the laser light source 10a . 10b keep as constant as possible. The attenuation unit 12 contains, in particular, a digital micromirror device (DMD) connected to the laser light sources 10a and 10b is synchronized. Depending on the desired percentage attenuation of the respective laser pulse, a corresponding number of mirrors of the digital micromirror unit DMD is switched such that the light reflected by them is not transported further in the beam path. Subsequently, the (possibly attenuated) laser light on a diffuser 13 directed. On this no interference pattern to be taken into consideration arises, since both laser light sources 10a . 10b provide sufficient broadband light in this regard. The diffuser 13 expands the laser beam. Subsequently, the expanded light is in a homogenizer 14 directed. There it comes to a mixing of the radiation, so that the light subsequently has a uniform intensity over the illuminated surface. Subsequently, this light falls on the image-forming digital micromirror unit DMD 15 , With the help of optics 16 the light goes on with the DMD 15 generated pattern on the object to be measured 2 projected.

3 beinhaltet eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung. Der topometrische Sensor 1 ist auf einem Industrieroboter 17 montiert. Im Gegensatz zu 1 ist die Projektionseinheit in zwei räumlich getrennte Teile aufgesplittet. Die Beleuchtungseinheit 5 bestehend aus zwei gepulsten Laserlichtquellen 10a und 10b ist nicht im Sensorkopf verbaut, sondern ist ortsfest neben dem Industrieroboter platziert. Über jeweils eine Multimodefaser je Laserlichtquelle 10a und 10b wird das Laserlicht über den Roboter (z. B. ein im Innern des Roboters geführten Kabelstrang) zum topometrischen Sensor geführt. Parallel wird ebenfalls eine Stromversorgung und eine Steuerverbindung von der Steuerungseinheit 8 zum topometrischen Sensor 1 realisiert. Entsprechend der Beschreibung der 2 wird das Laserlicht über die beiden Multimodefasern auf den Mustergenerator 4 geführt und letztlich auf das zu vermessende Objekt 2 projiziert. 3 includes a further preferred embodiment of the invention. The topometric sensor 1 is on an industrial robot 17 assembled. In contrast to 1 the projection unit is split into two spatially separated parts. The lighting unit 5 consisting of two pulsed laser light sources 10a and 10b is not installed in the sensor head, but is stationarily placed next to the industrial robot. Via one multimode fiber per laser light source 10a and 10b The laser light is guided via the robot (eg a cable run inside the robot) to the topometric sensor. Parallel is also a power supply and a control connection from the control unit 8th to the topometric sensor 1 realized. According to the description of 2 the laser light is applied to the pattern generator via the two multimode fibers 4 guided and ultimately on the object to be measured 2 projected.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Joseph W. Goodman: Speckle phenomena in optics, theory and applications, 2007, ISBN: 0-9747077-9-1 [0016] Joseph W. Goodman: Speckle phenomena in optics, theory and applications, 2007, ISBN: 0-9747077-9-1 [0016]
  • Duan Xiao-jie, Duan Fa-jie und Lv Chang-rong: Phase stabilizing method based on PTAC for fiber-optic interference fringe projection profilometry, Optics & Laser Technology, Volume 47, April 2013, Seiten 137 bis 143 [0017] Duan Xiao-jie, Duan Fa-jie and Lv Chang-rong: Phase stabilizing method based on PTAC for fiber-optic interference fringe projection profilometry, Optics & Laser Technology, Volume 47, April 2013, pages 137 to 143 [0017]
  • Martin Schaffer, Marcus Große, Bastian Harendt und Richard Kowarschik: Outdoor three-dimensional shape measurements using laser-based structured illumination, Optical Engineering, Volume 51, Issue, OE Letters, September 2012 [0018] Martin Schaffer, Marcus Grosse, Bastian Harendt, and Richard Kowarschik: Three-Dimensional Shape Measurements Using Laser-based Structural Illumination, Optical Engineering, Volume 51, Issue, OE Letters, September 2012 [0018]
  • Duan Xiao-jie et al. (2013) [0018] Duan Xiao-jie et al. (2013) [0018]
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  • Christoph Ohrt, Wito Hartmann, Johannes Weickmann, Markus Kästner, Albert Weckenmann, Tino Hausotte und Eduard Reithmeier: Holistic measurement in the sheet-bulk metal forming process with fringe projection, Procceedings ESAFORM 15th ESAFORM conference, März 2012, Seiten 1005–1010 [0019] Christoph Ohrt, Wito Hartmann, Johannes Weickmann, Markus Kästner, Albert Weckenmann, Tino Hausotte and Eduard Reithmeier: Holistic measurement in the sheet-bulk metal forming process with fringe projection, Procceedings ESAFORM 15th ESAFORM conference, March 2012, pages 1005-1010 [0019 ]
  • Duan Xiao-jie et al. (2013) [0019] Duan Xiao-jie et al. (2013) [0019]

Claims (24)

Messeinrichtung zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten (2) mit einem topometrischen Sensor (1), der mindestens eine Projektionseinheit (3) zur Projektion eines Musters auf ein Objekt (2) und mindestens eine Bildaufnahmeeinheit (6) zur Aufnahme des vom Objekt (2) rückgestreuten Musters hat, wobei die Projektionseinheit (3) mindestens eine Laserlichtquelle (10a, 10b) und einen mit der Laserlichtstrahlung der mindestens einen Laserlichtquelle (10a, 10b) beaufschlagbaren Mustergenerator (4) hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionseinheit (3) zur Beaufschlagung des Mustergenerators (4) mit derart breitbandiger Laserlichtstrahlung eingerichtet ist, dass eine topometrische Auswertung des vom Objekt (2) rückgestreuten und von der Bildaufnahmeeinheit (6) aufgenommenen Musters ohne weitere Maßnahmen zur Verringerung von Interferenzeffekten in der Bildaufnahmeeinheit (6) und/oder bei einer nachfolgenden Bildauswertung möglich ist.Measuring device for the three-dimensional optical measurement of objects ( 2 ) with a topometric sensor ( 1 ), the at least one projection unit ( 3 ) for projecting a pattern onto an object ( 2 ) and at least one image acquisition unit ( 6 ) for receiving the object ( 2 ) has backscattered pattern, the projection unit ( 3 ) at least one laser light source ( 10a . 10b ) and one with the laser light radiation of the at least one laser light source ( 10a . 10b ) can be acted upon pattern generator ( 4 ), characterized in that the projection unit ( 3 ) for loading the pattern generator ( 4 ) is set up with such broadband laser light radiation that a topometric evaluation of the object ( 2 ) and from the image acquisition unit ( 6 ) without further measures to reduce interference effects in the image acquisition unit ( 6 ) and / or in a subsequent image analysis is possible. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung eine Bildauswerteeinheit (8) zur topometrischen Auswertung der mit der mindestens einen Bildaufnahmeeinheit (6) aufgenommenen Bilder mit den vom Objekt (2) rückgestreuten Mustern für das optische Vermessen des Objektes (2) hat.Measuring device according to claim 1, characterized in that the measuring device is an image evaluation unit ( 8th ) for the topometric evaluation of the at least one image recording unit ( 6 ) taken with the images of the object ( 2 ) backscattered patterns for the optical measurement of the object ( 2 ) Has. Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mustergenerator (4) eine digitale Mikrospiegeleinheit (15) ist.Measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the pattern generator ( 4 ) a digital micromirror unit ( 15 ). Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionseinheit (3) zwei oder mehr Laserlichtquellen (10a, 10b) mit voneinander verschiedenen Wellenlängenbereichen hat, deren Laserlichtstrahlung zur Verbreiterung der Bandbreite zusammengeführt ist.Measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the projection unit ( 3 ) two or more laser light sources ( 10a . 10b ) having mutually different wavelength ranges whose laser light radiation is merged to broaden the bandwidth. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Laserlichtquelle (10a, 10b) ein gepulster Laser, insbesondere ein Femtosekundenlaser ist.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one laser light source ( 10a . 10b ) is a pulsed laser, in particular a femtosecond laser. Messeinrichtung nach Anspruch 5 in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionseinheit (3) eine Steuerungseinheit (7) hat, die zur Ansteuerung von Spiegelelementen der digitalen Mikrospiegeleinheit (15) synchronisiert mit der Erzeugung des Laserpulses eingerichtet ist.Measuring device according to claim 5 in conjunction with claim 3, characterized in that the projection unit ( 3 ) a control unit ( 7 ), which is used to control mirror elements of the digital micromirror unit ( 15 ) is set synchronized with the generation of the laser pulse. Messeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung zur Variierung der Pulsenergie der erzeugten Laserlichtpulse eingerichtet ist.Measuring device according to claim 5 or 6, characterized in that the measuring device is arranged to vary the pulse energy of the laser light pulses generated. Messeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionseinheit (3) eine Abschwächeinheit (12) zur Einstellung der Pulsenergie hat.Measuring device according to claim 7, characterized in that the projection unit ( 3 ) an attenuation unit ( 12 ) has to adjust the pulse energy. Messeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Abschwächeinheit (12) ein oder mehrere digitale Mikrospiegeleinheiten vorgesehen sind, wobei diese mindestens eine digitale Mikrospiegeleinheit mit der Erzeugung des Laserpulses und der Mustererzeugung synchronisiert ist.Measuring device according to claim 8, characterized in that as Abschwächeinheit ( 12 ) one or more digital micromirror units are provided, wherein said at least one digital micromirror unit is synchronized with the generation of the laser pulse and the pattern generation. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionseinheit (3) ein Medium hat, durch das die Laserlichtstrahlung geleitet wird, wobei das Medium zur Vergrößerung der spektralen Bandbreite der Laserlichtstrahlung mittels nichtlinearer optischer Effekte ausgebildet ist.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the projection unit ( 3 ) has a medium through which the laser light radiation is conducted, wherein the medium for increasing the spectral bandwidth of the laser light radiation is formed by means of nonlinear optical effects. Messeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Strahlungsflussmesselement (18a, 18b) zur Messung des Strahlungsflusses der Laserlichtquelle (10a, 10b) vorgesehen ist.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one radiant flux measuring element ( 18a . 18b ) for measuring the radiation flux of the laser light source ( 10a . 10b ) is provided. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtzuführung von der mindestens einen Laserlichtquelle (10a, 10b) zum Mustergenerator (4) über eine oder mehrere Glasfasern (11a, 11b), insbesondere in Form einer Multimodeglasfaser erfolgt.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the light supply from the at least one laser light source ( 10a . 10b ) to the pattern generator ( 4 ) via one or more glass fibers ( 11a . 11b ), in particular in the form of a multimode glass fiber. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Diffusor (13) zur Aufweitung der Laserlichtstrahlung und ein nachfolgender Homogenisierer (14) zur Vereinheitlichung der Intensität über die ausgeleuchtete Fläche vorgesehen ist.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that in addition a diffuser ( 13 ) for expanding the laser light radiation and a subsequent homogenizer ( 14 ) is provided to unify the intensity over the illuminated area. Verfahren zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten mit einem topometrischen Sensor (1), wobei ein Muster auf ein Objekt (2) projiziert wird und das Objekt (2) mitsamt einem von dem Objekt (2) rückgestreuten Muster aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass derart breitbandige Laserlichtstrahlung auf einen zur Erzeugung eines Musters vorgesehenen Mustergenerator (4) geleitet wird, dass eine topometrische Auswertung des vom Objekt (2) rückgestreuten und von der Bildaufnahmeeinheit (6) aufgenommenen Musters ohne weitere Maßnahmen zur Verringerung von Interferenzeffekten in der Bildaufnahmeeinheit (6) und/oder bei einer nachfolgenden Bildauswertung möglich ist.Method for the three-dimensional optical measurement of objects with a topometric sensor ( 1 ), whereby a pattern on an object ( 2 ) and the object ( 2 ) together with one of the object ( 2 ) backscattered pattern, characterized in that such broadband laser light radiation onto a pattern generator provided for generating a pattern ( 4 ), that a topometric evaluation of the object ( 2 ) and from the image acquisition unit ( 6 ) without further measures to reduce interference effects in the image acquisition unit ( 6 ) and / or in a subsequent image analysis is possible. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Erzeugen der Muster mit mindestens einer digitalen Mikrospiegeleinheit (15) als Mustergenerator (4).Method according to claim 14, characterized by generating the patterns with at least one digital micromirror unit ( 15 ) as a pattern generator ( 4 ). Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch Erzeugen der breitbandigen Laserlichtstrahlung aus mehreren Laserlichtquellen (10a, 10b), die voneinander verschiedene Wellenlängenbereiche haben. A method according to claim 14 or 15, characterized by generating the broadband laser light radiation from a plurality of laser light sources ( 10a . 10b ), which have different wavelength ranges from each other. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, gekennzeichnet durch Erzeugen der breitbandigen Laserlichtstrahlung mittels mindestens eines gepulsten Lasers, insbesondere eines Femtosekundenlasers, als Laserlichtquelle (10a, 10b).Method according to one of claims 14 to 16, characterized by generating the broadband laser light radiation by means of at least one pulsed laser, in particular a femtosecond laser, as laser light source ( 10a . 10b ). Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch Synchronisieren der Steuerung von Spiegelelementen einer als Mustergenerator (4) genutzten digitalen Mikrospiegeleinheit (15) mit der Erzeugung der Laserpulse der mindestens einen gepulsten Laserlichtquelle (10a, 10b).Method according to claim 17, characterized by synchronizing the control of mirror elements as a pattern generator ( 4 ) used digital micromirror unit ( 15 ) with the generation of the laser pulses of the at least one pulsed laser light source ( 10a . 10b ). Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch Variation der Pulsenergie der erzeugten Laserpulse der mindestens einen gepulsten Laserlichtquelle (10a, 10b).Method according to claim 17 or 18, characterized by variation of the pulse energy of the generated laser pulses of the at least one pulsed laser light source ( 10a . 10b ). Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, gekennzeichnet durch Leiten der aus der mindestens einen Laserlichtquelle (10a, 10b) austretenden Laserlichtstrahlung durch ein Medium, wobei das Medium zur Vergrößerung der spektralen Bandbreite der Laserlichtstrahlung mittels nichtlinearer optischer Effekte ausgebildet ist.Method according to one of claims 14 to 19, characterized by passing the at least one laser light source ( 10a . 10b ) Exiting laser light radiation through a medium, wherein the medium for increasing the spectral bandwidth of the laser light radiation is formed by means of nonlinear optical effects. Verfahren nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch Einstellen der Pulsenergie der erzeugten Laserpulse mit einer Abschwächeinheit (12).Method according to claim 20, characterized by setting the pulse energy of the generated laser pulses with a attenuation unit ( 12 ). Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Abschwächeinheit (12) ein oder mehrere digitale Mikrospiegeleinheiten (DMD) eingesetzt werden, wobei die mindestens eine digitale Mikrospiegeleinheit (DMD) mit der Erzeugung der Laserpulse und der Mustererzeugung synchronisiert werden.Method according to claim 20 or 21, characterized in that as attenuator unit ( 12 ) one or more digital micromirror units (DMD) are used, wherein the at least one digital micromirror unit (DMD) are synchronized with the generation of the laser pulses and the pattern generation. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, gekennzeichnet durch Messen des Strahlungsflusses der mindestens einen Laserlichtquelle (10a, 10b) mit mindestens einem Strahlungsflussmesselement und Ansteuerung der Laserlichtquellen (10a, 10b) in Abhängigkeit des gemessenen Strahlungsflusses zur Regelung der Helligkeit des Laserlichts so, dass die Helligkeit konstant gehalten wird.Method according to one of claims 14 to 22, characterized by measuring the radiation flux of the at least one laser light source ( 10a . 10b ) with at least one radiation flux measuring element and control of the laser light sources ( 10a . 10b ) as a function of the measured radiation flux for controlling the brightness of the laser light so that the brightness is kept constant. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 23, gekennzeichnet durch Aufweiten der Laserlichtstrahlung mit einem Diffusor (13) und Vereinheitlichung der Intensität über die ausgeleuchtete Fläche mit einem Homogenisierer (14).Method according to one of claims 14 to 23, characterized by widening the laser light radiation with a diffuser ( 13 ) and homogenizing the intensity over the illuminated surface with a homogenizer ( 14 ).
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