DE112014001459T5

DE112014001459T5 - Dreidimensionaler Koordinatenscanner und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE112014001459T5
Application number: DE112014001459.1T
Authority: DE
Inventors: Yazid Tohme; Charles Pfeffer; Robert E. Bridges
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2034-03-06
Also published as: GB2527992A; US20140267629A1; CN105102926A; US10578423B2; US20140268093A1; JP2016516993A; JP2016517513A; GB2524931A; GB201518247D0; CN105102925A; WO2014149706A1; US9494412B2; CN105051488A; US20160370171A1; DE112014001470T5; US20140267620A1; JP2016519757A; GB2524931B; GB2527991A8; US20150192407A9

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kontaktloses optisches dreidimensionales Messgerät, das Folgendes umfasst: einen Projektor, eine erste Kamera und eine zweite Kamera; einen elektrisch an den Projektor, die erste Kamera und die zweite Kamera gekoppelten Prozessor; und ein computerlesbares Medium, das, wenn es durch den Prozessor ausgeführt wird, bewirkt, dass das erste digitale Signal an einem ersten Zeitpunkt erfasst wird und das zweite digitale Signal an einem vom ersten Zeitpunkt verschiedenen zweiten Zeitpunkt erfasst wird, und dreidimensionale Koordinaten eines ersten Punkts auf der Oberfläche basierend zumindest teilweise auf dem ersten digitalen Signal und dem ersten Abstand ermittelt und dreidimensionale Koordinaten eines zweiten Punkts auf der Oberfläche basierend zumindest teilweise auf dem zweiten digitalen Signal und dem zweiten Abstand ermittelt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft einen dreidimensionalen Koordinatenscanner und insbesondere einen Triangulationsscanner mit mehreren Modalitäten der Datenerfassung.
Die Erfassung dreidimensionaler Koordinaten eines Objekts oder einer Umgebung ist bekannt. Man kann verschiedene Methoden wie beispielsweise Laufzeit- oder Triangulationsverfahren einsetzen. Laufzeitsysteme wie beispielsweise ein Lasertracker, eine Totalstation oder ein Laufzeitscanner können einen Lichtstrahl wie zum Beispiel einen Laserstrahl auf ein Retroreflektorziel oder einen Punkt auf der Oberfläche des Objekts richten. Es wird ein Absolutdistanzmesser verwendet, um den Abstand zum Ziel oder Punkt auf Basis der Zeitdauer zu ermitteln, die das Licht für die Bewegung zum Ziel oder Punkt und zurück benötigt. Durch Bewegen des Laserstrahls oder des Ziels über die Oberfläche des Objekts können die Koordinaten des Objekts ermittelt werden. Laufzeitsysteme haben dahingehend Vorteile, dass sie eine relativ hohe Genauigkeit besitzen, doch in einigen Fällen sind sie eventuell langsamer als manche andere Systeme, weil sie normalerweise jeden Punkt auf der Oberfläche einzeln messen müssen.
Im Gegensatz dazu projiziert ein Scanner, der die Triangulation zur Messung dreidimensionaler Koordinaten benutzt, entweder ein Lichtmuster in einer Linie (z. B. einer Laserlinie aus einer Laserliniensonde) oder ein einen Bereich abdeckendes Lichtmuster (z. B. strukturiertes Licht) auf die Oberfläche. Eine Kamera wird in feststehender Beziehung an den Projektor gekoppelt, indem man beispielsweise eine Kamera und den Projektor an einem gemeinsamen Rahmen befestigt. Das vom Projektor emittierte Licht wird von der Oberfläche reflektiert und von der Kamera erfasst. Da die Kamera und der Projektor in feststehender Beziehung angeordnet sind, kann der Abstand zum Objekt nach den Prinzipien der Trigonometrie ermittelt werden. Verglichen mit Koordinatenmessgeräten, die Tastsonden benutzen, bieten Triangulationssysteme dahingehend Vorteile, dass sie Koordinatendaten über einen großen Bereich schnell erfassen. Die sich daraus ergebende Erfassung dreidimensionaler Koordinatenwerte, die durch das Triangulationssystem bereitgestellt werden, wird hierin als „Punktwolkendaten“ oder einfach als „Punktwolke“ bezeichnet.
Eine Anzahl von Problemen kann die Erfassung von hochgenauen Punktwolkendaten stören, wenn ein Laserscanner verwendet wird. Diese Probleme umfassen, aber ohne darauf beschränkt zu sein: Abweichungen beim über die Bildebene der Kamera aufgefangenen Lichtpegel infolge von Abweichungen beim Reflexionsgrad der Objektoberfläche oder Abweichungen beim Einfallswinkel der Oberfläche relativ zum projizierten Licht; niedrige Auflösung nahe einer Kante wie z. B. Kanten von Löchern; und beispielsweise eine Mehrwegestörung. Der Bediener bemerkt in einigen Fällen eventuell ein Problem nicht oder ist nicht in der Lage, das Problem zu eliminieren. In diesen Fällen sind fehlende oder fehlerhafte Punktwolkendaten die Folge.
Obwohl bereits existierende Scanner für ihren beabsichtigten Zweck geeignet sind, besteht demgemäß nach wie vor Bedarf an einer Verbesserung und insbesondere an einer Bereitstellung eines Scanners, der sich an unerwünschte Bedingungen anpassen und eine verbesserte Datenpunkterfassung zur Verfügung stellen kann.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein kontaktloses optisches dreidimensionales Messgerät vorgesehen. Das kontaktlose optische dreidimensionale Messgerät umfasst Folgendes: eine Baugruppe, die einen Projektor, eine erste Kamera und eine zweite Kamera umfasst, wobei der Projektor, die erste Kamera und die zweite Kamera zueinander feststehend sind, wobei ein erster Abstand zwischen dem Projektor und der ersten Kamera und ein zweiter Abstand zwischen dem Projektor und der zweiten Kamera bestehen, wobei der Projektor eine Lichtquelle aufweist, wobei der Projektor dafür konfiguriert ist, auf eine Oberfläche eines Objekts ein erstes Licht mit irgendeinem einer Vielzahl von räumlich variierenden Mustern zu emittieren, wobei die erste Kamera eine erste Linse und eine erste photosensitive Anordnung aufweist, wobei die erste Kamera dafür konfiguriert ist, einen ersten Teil des von der Oberfläche reflektierten ersten Lichts aufzufangen und als Reaktion ein erstes digitales Signal zu erzeugen, wobei die erste Kamera ein erstes Sichtfeld aufweist, wobei das erste Sichtfeld ein erster Sichtwinkelbereich der ersten Kamera ist, wobei die zweite Kamera eine zweite Linse und eine zweite photosensitive Anordnung aufweist, wobei die zweite Kamera dafür konfiguriert ist, einen zweiten Teil des von der Oberfläche reflektierten ersten Lichts aufzufangen und als Reaktion ein zweites digitales Signal zu erzeugen, wobei die zweite Kamera ein zweites Sichtfeld aufweist, wobei das zweite Sichtfeld ein zweiter Sichtwinkelbereich der zweiten Kamera ist, wobei das zweite Sichtfeld vom ersten Sichtfeld verschieden ist; einen elektrisch an den Projektor, die erste Kamera und die zweite Kamera gekoppelten Prozessor; und ein computerlesbares Medium, das, wenn es durch den Prozessor ausgeführt wird, bewirkt, dass das erste digitale Signal an einem ersten Zeitpunkt erfasst wird und das zweite digitale Signal an einem vom ersten Zeitpunkt verschiedenen zweiten Zeitpunkt erfasst wird, und dreidimensionale Koordinaten eines ersten Punkts auf der Oberfläche basierend zumindest teilweise auf dem ersten digitalen Signal und dem ersten Abstand ermittelt und dreidimensionale Koordinaten eines zweiten Punkts auf der Oberfläche basierend zumindest teilweise auf dem zweiten digitalen Signal und dem zweiten Abstand ermittelt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Ermittlung dreidimensionaler Koordinaten auf einer Oberfläche eines Objekts vorgesehen. Das Verfahren umfasst Folgendes: Bereitstellen einer Baugruppe, die einen Projektor, eine erste Kamera und eine zweite Kamera umfasst, wobei der Projektor, die erste Kamera und die zweite Kamera zueinander feststehend sind, wobei ein erster Abstand zwischen dem Projektor und der ersten Kamera und ein zweiter Abstand zwischen dem Projektor und der zweiten Kamera bestehen, wobei der Projektor eine Lichtquelle aufweist, wobei der Projektor dafür konfiguriert ist, auf die Oberfläche ein erstes Licht mit irgendeinem einer Vielzahl von räumlich variierenden Mustern zu emittieren, wobei die erste Kamera eine erste Linse und eine erste photosensitive Anordnung aufweist, wobei die erste Kamera dafür konfiguriert ist, einen ersten Teil des von der Oberfläche reflektierten ersten Lichts aufzufangen, wobei die erste Kamera ein erstes Sichtfeld aufweist, wobei das erste Sichtfeld ein erster Sichtwinkelbereich der ersten Kamera ist, wobei die zweite Kamera eine zweite Linse und eine zweite photosensitive Anordnung aufweist, wobei die zweite Kamera dafür konfiguriert ist, einen zweiten Teil des von der Oberfläche reflektierten ersten Lichts aufzufangen, wobei die zweite Kamera ein zweites Sichtfeld aufweist, wobei das zweite Sichtfeld ein zweiter Sichtwinkelbereich der zweiten Kamera ist, wobei das zweite Sichtfeld vom ersten Sichtfeld verschieden ist; Bereitstellen eines elektrisch an den Projektor, die erste Kamera und die zweite Kamera gekoppelten Prozessors; Emittieren des ersten Lichts mit einem aus der Vielzahl von räumlich variierenden Mustern ausgewählten ersten Muster in einem ersten Vorgang aus dem Projektor auf die Oberfläche; Aufnehmen eines ersten Bilds der Oberfläche mit der ersten Kamera im ersten Vorgang und als Reaktion Senden eines ersten digitalen Signals an den Prozessor; Ermitteln eines ersten Satzes dreidimensionaler Koordinaten erster Punkte auf der Oberfläche, wobei der erste Satz zumindest teilweise auf dem ersten Muster, dem ersten digitalen Signal und dem ersten Abstand basiert; Durchführen einer Diagnosemethode, um die Qualität des ersten Satzes auszuwerten; Ermitteln eines aus der Vielzahl von räumlich variierenden Mustern ausgewählten zweiten Musters des ersten Lichts, wobei das zweite Muster zumindest teilweise auf Ergebnissen der Diagnosemethode basiert; Emittieren des ersten Lichts mit dem zweiten Muster in einem zweiten Vorgang aus dem Projektor auf die Oberfläche; Aufnehmen eines zweiten Bilds der Oberfläche mit der zweiten Kamera im zweiten Vorgang und als Reaktion Senden eines zweiten digitalen Signals an den Prozessor; und Ermitteln eines zweiten Satzes dreidimensionaler Koordinaten zweiter Punkte auf der Oberfläche, wobei der zweite Satz zumindest teilweise auf dem zweiten Muster, dem zweiten digitalen Signal und dem zweiten Abstand basiert.
Diese und andere Vorteile und Merkmale gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher hervor.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Der Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, wird in den Ansprüchen am Ende der Patentbeschreibung besonders hervorgehoben und eindeutig beansprucht. Die vorangehenden und anderen Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:
1: eine schematische Draufsicht eines Scanners gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
2: ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Betrieb des Scanners von 1 zeigt;
3: eine schematische Draufsicht eines Scanners gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung;
4: ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Betrieb des Scanners von 3 zeigt;
5A: eine schematische Ansicht von Elementen in einem Laserscanner gemäß einer Ausgestaltung;
5B: ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Betrieb eines Scanners gemäß einer Ausgestaltung zeigt;
6: eine schematische Draufsicht eines Scanners gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung;
7: ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Betrieb des Scanners gemäß einer Ausgestaltung zeigt;
8A und 8B: perspektivische Ansichten eines Scanners, der in Verbindung mit einer entfernten Sondenvorrichtung verwendet wird, gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
9: ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Betrieb des Scanners von 5 zeigt;
10: eine schematische Draufsicht eines Scanners gemäß einer Ausgestaltung;
11: ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Betrieb des Scanners von 10 zeigt; und
12: ein Ablaufdiagramm, das eine Diagnosemethode gemäß einer Ausgestaltung zeigt.
Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausgestaltungen der Erfindung zusammen mit den Vorteilen und Merkmalen beispielhaft anhand der Zeichnungen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung stellen Vorteile zur Verfügung, indem sie die Zuverlässigkeit und Genauigkeit dreidimensionaler Koordinaten einer Datenpunktwolke erhöhen, die von einem Scanner erfasst wird. Ausgestaltungen der Erfindung bieten dahingehend Vorteile, dass sie Anomalien in erfassten Daten erkennen und automatisch den Betrieb des Scanners derart einstellen, dass er die gewünschten Ergebnisse erfasst. Ausgestaltungen der Erfindung bieten dahingehend Vorteile, dass sie Anomalien in den erfassten Daten erkennen und dem Bediener eine Anzeige von Bereichen bereitstellen, wo eine zusätzliche Datenerfassung erforderlich ist. Noch weitere Ausgestaltungen der Erfindung bieten dahingehend Vorteile, dass sie Anomalien in den erfassten Daten erkennen und dem Bediener eine Anzeige bereitstellen, wo eine zusätzliche Datenerfassung mit einer entfernten Sonde erfasst werden kann.
Scannervorrichtungen erfassen dreidimensionale Koordinatendaten von Objekten. Bei einer Ausgestaltung hat ein Scanner 20, der in 1 dargestellt ist, ein Gehäuse 22, das eine erste Kamera 24, eine zweite Kamera 26 und einen Projektor 28 umfasst. Der Projektor 28 emittiert Licht 30 auf eine Oberfläche 32 eines Objekts 34. Bei der beispielhaften Ausgestaltung nutzt der Projektor 28 eine sichtbares Licht ausstrahlende Lichtquelle, die einen Mustererzeuger beleuchtet. Die sichtbares Licht ausstrahlende Lichtquelle kann beispielsweise ein Laser, eine Superlumineszenzdiode, eine Glühlampe, eine Xenonlampe, eine Leuchtdiode (LED; light emitting diode) oder eine andere Leuchtvorrichtung sein. Der Mustererzeuger ist bei einer Ausgestaltung eine Chrommaske mit einem auf ihr aufgeätzten strukturierten Lichtmuster. Die Fotomaske kann ein einziges Muster oder mehrere Muster aufweisen, die sich je nach Bedarf in die und aus der Position bewegen. Die Fotomaske kann manuell oder automatisch in der Betriebsstellung eingebaut werden. Bei anderen Ausgestaltungen kann das Quellmuster ein Licht sein, das von einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung (DMD; digital micro-mirror device) wie beispielsweise einem von der Firma Texas Instruments Corporation hergestellten digitalen Lichtprojektor (DLP), einer Flüssigkristallanzeige (LCD; liquid crystal display), einer Flüssigkristall-auf-Silizium-Vorrichtung (LCOS; liquid crystal on silicon) oder einer ähnlichen Vorrichtung, die im Durchlassmodus statt im Reflexionsmodus verwendet wird, reflektiert oder durchgelassen wird. Der Projektor 28 kann ferner ein Linsensystem 36 umfassen, das das austretende Licht derart verändert, dass es den gewünschten Bereich abdeckt.
Der Projektor 28 ist bei dieser Ausgestaltung derart konfigurierbar, dass er strukturiertes Licht über einen Bereich 37 emittiert. Der hierin gebrauchte Begriff „strukturiertes Licht“ bezieht sich auf ein auf einen Bereich eines Objekts projiziertes zweidimensionales Lichtmuster, das Informationen vermittelt, die zur Ermittlung der Koordinaten von Punkten auf einem Objekt verwendet werden können. Bei einer Ausgestaltung enthält ein strukturiertes Lichtmuster mindestens drei nicht-kollineare Musterelemente, die in einem Bereich angeordnet sind. Jedes der drei nicht-kollinearen Musterelemente vermittelt Informationen, die zur Ermittlung der Punktkoordinaten verwendet werden können. Bei einer anderen Ausgestaltung ist ein Projektor vorgesehen, der dafür konfigurierbar ist, sowohl ein Bereichsmuster als auch ein Linienmuster zu projizieren. Der Projektor ist bei einer Ausgestaltung eine digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD), die dafür konfiguriert ist, zwischen den beiden vor- und zurückzuschalten. Der DMD-Projektor kann bei einer Ausgestaltung auch eine Linie hin- und herbewegen oder einen Punkt in einem Rastermuster hin- und herbewegen.
Es gibt im Allgemeinen zwei Arten strukturierter Lichtmuster, nämlich ein kodiertes Lichtmuster und ein unkodiertes Lichtmuster. Ein wie hierin verwendetes kodiertes Lichtmuster ist eines, bei dem die dreidimensionalen Koordinaten einer beleuchteten Oberfläche des Objekts durch Aufnehmen eines Einzelbilds ermittelt werden. Es ist mit einem kodierten Lichtmuster möglich, Punktwolkendaten zu erhalten und zu registrieren, während sich die Projektionsvorrichtung relativ zum Objekt bewegt. Eine Art eines kodierten Lichtmusters enthält einen Satz von Elementen (z. B. geometrische Formen), die in Linien angeordnet sind, wobei mindestens drei der Elemente nicht-kollinear sind. Solche Musterelemente sind wegen ihrer Anordnung erkennbar.
Im Gegensatz dazu ist ein wie hierin verwendetes unkodiertes strukturiertes Lichtmuster ein Muster, das keine Messung durch ein einziges Muster ermöglicht. Eine Serie unkodierter Lichtmuster kann nacheinander projiziert und bildlich erfasst werden. Für diesen Fall muss der Projektor normalerweise feststehend relativ zum Objekt gehalten werden.
Es versteht sich, dass der Scanner 20 entweder ein kodiertes oder ein unkodiertes strukturiertes Lichtmuster nutzen kann. Das strukturierte Lichtmuster kann die Muster umfassen, die in dem in den SPIE-Sitzungsprotokollen, Bd. 7932, veröffentlichten Journalartikel „DLP-Based Structured Light 3D Imaging Technologies and Applications“ von Jason Geng offenbart werden. Ferner überträgt der Projektor 28 bei einigen nachfolgend beschriebenen Ausgestaltungen ein Muster, das aus einer hin- und herbewegten Lichtlinie oder einem hin- und herbewegten Lichtpunkt ausgebildet ist. Hin- und herbewegte Lichtlinien und -punkte bieten Vorteile gegenüber Lichtbereichen bei der Identifizierung einiger Arten von Anomalien wie beispielsweise einer Mehrwegestörung. Das automatische Hin- und Herbewegen der Linie, während der Scanner feststehend gehalten wird, bietet ebenfalls Vorteile bei der Bereitstellung einer gleichmäßigeren Abtastung von Oberflächenpunkten.
Die erste Kamera 24 umfasst einen photosensitiven Sensor 44, der ein digitales Bild bzw. eine digitale Darstellung des Bereichs 48 im Sichtfeld des Sensors erzeugt. Der Sensor kann ein Sensor vom Typ ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD; charge-coupled device) oder ein Sensor vom Typ komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS; complementary metal-oxide semiconductor) sein, der beispielsweise eine Pixelanordnung aufweist. Die erste Kamera 24 kann ferner andere Komponenten wie beispielsweise eine Linse 46 und andere optische Vorrichtungen umfassen, aber ohne darauf beschränkt zu sein. Die Linse 46 hat eine ihr zugeordnete erste Brennweite. Der Sensor 44 und die Linse 46 wirken zusammen und definieren ein erstes Sichtfeld „X“. Bei der beispielhaften Ausgestaltung macht das erste Sichtfeld „X“ 16 Grad aus (0,28 cm pro cm).
In ähnlicher Weise umfasst die zweite Kamera 26 einen photosensitiven Sensor 38, der ein digitales Bild bzw. eine digitale Darstellung des Bereichs 40 im Sichtfeld des Sensors erzeugt. Der Sensor kann ein Sensor vom Typ ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD) oder ein Sensor vom Typ komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) sein, der beispielsweise eine Pixelanordnung aufweist. Die zweite Kamera 26 kann ferner andere Komponenten wie beispielsweise eine Linse 42 und andere optische Vorrichtungen umfassen, aber ohne darauf beschränkt zu sein. Die Linse 42 hat eine ihr zugeordnete zweite Brennweite, wobei die zweite Brennweite von der ersten Brennweite verschieden ist. Der Sensor 38 und die Linse 42 wirken zusammen und definieren ein zweites Sichtfeld „Y“. Bei der beispielhaften Ausgestaltung macht das zweite Sichtfeld „Y“ 50 Grad aus (0,85 cm pro cm). Das zweite Sichtfeld ist größer als das erste Sichtfeld X. Dementsprechend ist der Bereich 40 größer als der Bereich 48. Es versteht sich, dass ein größeres Sichtfeld eine schnellere Aufnahme und Messung eines bestimmten Bereichs der Objektoberfläche 32 ermöglicht; wenn die photosensitiven Anordnungen 44 und 38 die gleiche Anzahl an Pixeln aufweisen, ergibt ein kleineres Sichtfeld jedoch eine höhere Auflösung.
Der Projektor 28 und die erste Kamera 24 sind bei der beispielhaften Ausgestaltung derart in feststehender Beziehung in einem Winkel angeordnet, dass der Sensor 44 Licht auffangen kann, das von der Oberfläche des Objekts 34 reflektiert wird. Ebenso sind der Projektor 28 und die zweite Kamera 26 derart in feststehender Beziehung in einem Winkel angeordnet, dass der Sensor 38 Licht auffangen kann, das von der Oberfläche 32 des Objekts 34 reflektiert wird. Da der Projektor 28, die erste Kamera 24 und die zweite Kamera 26 feststehende geometrische Beziehungen haben, können der Abstand und die Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche durch ihre trigonometrischen Beziehungen ermittelt werden. Obwohl die Sichtfelder (FOV; fields-of-view) der Kameras 24 und 26 in 1 nicht überlappend dargestellt sind, können sie sich teilweise oder ganz überlappen.
Der Projektor 28 und die Kameras 24, 26 sind elektrisch an eine Steuervorrichtung 50 gekoppelt, die im Gehäuse 22 angeordnet ist. Die Steuervorrichtung 50 kann einen oder mehrere Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren, Speicher- und Signalkonditionierschaltungen umfassen. Der Scanner 20 kann ferner Aktoren (nicht dargestellt) umfassen, die vom Bediener manuell eingeschaltet werden können, um den Betrieb und die Datenerfassung durch den Scanner 20 zu beginnen. Bei einer Ausgestaltung wird die Bildverarbeitung zur Ermittlung der x-, y-, z-Koordinatendaten der die Oberfläche 32 des Objekts 34 repräsentierenden Punktwolke durch die Steuervorrichtung 50 durchgeführt. Die Koordinatendaten können lokal wie beispielsweise in einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher 54 gespeichert werden. Der Speicher kann entfernbar sein, also beispielsweise ein Speicherstick oder eine Speicherkarte. Der Scanner 20 hat bei anderen Ausgestaltungen eine Kommunikationsschaltung 52, die es ihm ermöglicht, die Koordinatendaten an ein entferntes Verarbeitungssystem 56 zu übertragen. Das Kommunikationsmedium 58 zwischen dem Scanner 20 und dem entfernten Verarbeitungssystem 56 kann drahtgebunden (z. B. Ethernet) oder drahtlos (z. B. Bluetooth, IEEE 802.11) sein. Bei einer Ausgestaltung werden die Koordinatendaten durch das entfernte Verarbeitungssystem 56 auf Basis der aufgenommenen Bilder ermittelt, die vom Scanner 20 über das Kommunikationsmedium 58 übertragen werden.
Eine relative Bewegung zwischen der Objektoberfläche 32 und dem Scanner 20 ist möglich, wie es durch den Zweirichtungspfeil 47 angezeigt wird. Es gibt mehrere Wege, bei denen eine solche relative Bewegung bereitgestellt werden kann. Bei einer Ausgestaltung ist der Scanner ein in der Hand gehaltener Scanner und ist das Objekt 34 feststehend. Die relative Bewegung ergibt sich aus dem Bewegen des Scanners über die Objektoberfläche. Bei einer anderen Ausgestaltung ist der Scanner an einem Effektor an einem Roboterende befestigt. Die relative Bewegung wird durch den Roboter bereitgestellt, während er den Scanner über die Objektoberfläche bewegt. Bei einer weiteren Ausgestaltung ist entweder der Scanner 20 oder das Objekt 34 an einem sich bewegenden mechanischen Mechanismus wie beispielsweise einem Portal-Koordinatenmessgerät oder einem Gelenkarm-KMG befestigt. Die relative Bewegung wird durch den sich bewegenden mechanischen Mechanismus bereitgestellt, während er den Scanner 20 über die Objektoberfläche bewegt. Bei einigen Ausgestaltungen wird die Bewegung durch die Bedienungsmaßnahme eines Bedieners bereitgestellt und bei anderen Ausgestaltungen wird die Bewegung durch einen Mechanismus bereitgestellt, der von einem Computer gesteuert wird.
Nun Bezug nehmend auf 2, wird der Betrieb des Scanners 20 gemäß einem Verfahren 1260 beschrieben. Wie in Block 1262 dargestellt, emittiert der Projektor 28 zuerst ein strukturiertes Lichtmuster auf den Bereich 37 der Oberfläche 32 des Objekts 34. Das Licht 30 des Projektors 28 wird von der Oberfläche 32 als reflektiertes Licht 62 reflektiert, das von der zweiten Kamera 26 aufgefangen wird. Das dreidimensionale Profil der Oberfläche 32 beeinflusst das von der photosensitiven Anordnung 38 in der zweiten Kamera 26 aufgenommene Bild des Musters. Unter Verwendung der Informationen, die aus einem oder mehreren Bildern des Musters bzw. der Muster zusammengetragen wurden, ermittelt die Steuervorrichtung 50 oder das entfernte Verarbeitungssystem 56 eine Eins-zu-eins-Entsprechung zwischen den Pixeln der photosensitiven Anordnung 38 und dem vom Projektor 28 emittierten Lichtmuster. Beim Einsatz dieser Eins-zu-eins-Entsprechung werden Triangulationsprinzipien verwendet, um die dreidimensionalen Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche 32 zu ermitteln. Diese Erfassung dreidimensionaler Koordinatendaten (Punktwolkendaten) ist in Block 1264 dargestellt. Durch Bewegen des Scanners 20 über die Oberfläche 32 kann eine Punktwolke des gesamten Objekts 34 erstellt werden.
Während des Abtastverfahrens kann die Steuervorrichtung 50 oder das entfernte Verarbeitungssystem 56 eine unerwünschte Bedingung oder ein unerwünschtes Problem bei den Punktwolkendaten erfassen, wie in Block 1266 dargestellt. Verfahren zur Erfassung eines solchen Problems werden nachfolgend anhand von 12 beschrieben. Das erfasste Problem kann zum Beispiel ein Fehler in oder das Fehlen von Punktwolkendaten in einem bestimmten Bereich sein. Dieser Fehler in oder das Fehlen von Daten kann durch zu wenig oder zu viel aus diesem Bereich reflektiertes Licht verursacht werden. Zu wenig oder zu viel reflektiertes Licht kann beispielsweise aus einem Unterschied beim Reflexionsgrad über die Objektoberfläche, aus hohen oder veränderlichen Einfallswinkeln des Lichts 30 auf der Objektoberfläche 32 oder aus reflexionsarmen (schwarzen oder lichtdurchlässigen) Materialien oder glänzenden Oberflächen resultieren. Bestimmte Punkte auf dem Objekt können derart gewinkelt sein, dass sie eine sehr helle gerichtete Reflexion erzeugen, die als Glitzern bekannt ist.
Eine andere mögliche Ursache für einen Fehler in oder das Fehlen von Punktwolkendaten ist eine mangelhafte Auflösung in Bereichen mit feinen Merkmalen, scharfen Kanten oder schnellen Änderungen der Tiefe. Eine solche mangelhafte Auflösung kann sich beispielsweise aus einem Loch ergeben.
Eine weitere mögliche Ursache für einen Fehler in oder das Fehlen von Punktwolkendaten ist eine Mehrwegestörung. Ein Lichtstrahl des Projektors 28 strahlt normalerweise einen Punkt auf der Oberfläche 32 an und wird über einen Winkelbereich gestreut. Das gestreute Licht wird von der Linse 42 der Kamera 26 auf einem kleinen Punkt auf der photosensitiven Anordnung 38 abgebildet. Dementsprechend kann das gestreute Licht von der Linse 46 der Kamera 24 auf einem kleinen Punkt auf der photosensitiven Anordnung 44 abgebildet werden. Eine Mehrwegestörung tritt auf, wenn das den Punkt auf der Oberfläche 32 erreichende Licht nicht nur vom Lichtstrahl des Projektors 28 stammt, sondern zusätzlich auch von Sekundärlicht, das von einem anderen Abschnitt der Oberfläche 32 reflektiert wird. Ein solches Sekundärlicht kann das von der photosensitiven Anordnung 38, 44 aufgefangene Lichtmuster beeinträchtigen und dadurch die genaue Ermittlung dreidimensionaler Koordinaten des Punkts verhindern. Verfahren, mit denen eine vorhandene Mehrwegestörung identifiziert wird, werden in der vorliegenden Anmeldung anhand von 12 beschrieben.
Wenn die Steuervorrichtung in Block 1266 feststellt, dass die Punktwolke in Ordnung ist, wird das Verfahren beendet. Andernfalls erfolgt in Block 1268 eine Ermittlung, ob der Scanner im manuellen oder automatischen Modus benutzt wird. Wenn der Modus manuell ist, wird der Bediener in Block 1270 angeleitet, den Scanner in die gewünschte Position zu bewegen.
Es gibt zahlreiche Wege zur Anzeige der vom Bediener gewünschten Bewegung. Bei einer Ausgestaltung zeigen Anzeigeleuchten auf dem Scannerkörper die gewünschte Bewegungsrichtung an. Bei einer anderen Ausgestaltung wird ein Licht auf die Oberfläche projiziert, das die Richtung anzeigt, in welcher der Bediener bewegen muss. Ferner kann eine Farbe des projizierten Lichts angeben, ob der Scanner zu nahe am Objekt ist oder zu weit vom Objekt entfernt ist. Bei einer weiteren Ausgestaltung erfolgt eine Anzeige des Bereichs, auf welchen der Bediener das Licht projizieren muss. Eine solche Anzeige kann eine grafische Darstellung von Punktwolkendaten, ein CAD-Modell oder eine Kombination der zwei sein. Die Anzeige kann auf einem Computermonitor oder auf einer in die Scannervorrichtung eingebauten Anzeigevorrichtung dargestellt werden.
Bei einer beliebigen dieser Ausgestaltungen ist ein Verfahren zur Ermittlung der ungefähren Position des Scanners beabsichtigt. Der Scanner kann in einem Fall an einem Gelenkarm-KMG befestigt sein, das Winkelkodierer in seinen Gelenken nutzt, um die Position und Orientierung des an seinem Ende befestigten Scanners zu ermitteln. In einem anderen Fall umfasst der Scanner Inertialsensoren, die im Gerät angeordnet sind. Inertialsensoren können zum Beispiel Gyroskope, Beschleunigungsmesser und Magnetometer sein. Ein anderes Verfahren zur Ermittlung der ungefähren Position des Scanners besteht darin, photogrammetrische Punkte zu beleuchten, die als Markierungspunkte auf dem oder rings um das Objekt angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Weitsichtfeldkamera im Scanner dessen ungefähre Position bezogen auf das Objekt ermitteln.
Bei einer anderen Ausgestaltung zeigt ein CAD-Modell auf einem Computerbildschirm die Bereiche an, wo zusätzliche Messungen gewünscht werden, und bewegt der Bediener den Scanner gemäß der Anpassung der Merkmale auf dem Objekt an die Merkmale auf dem Scanner. Durch eine Aktualisierung des CAD-Modells auf dem Bildschirm während einer Abtastung kann dem Bediener eine schnelle Rückmeldung darüber gegeben werden, ob die gewünschten Bereiche des Teils gemessen wurden.
Nachdem der Bediener den Scanner in die Position bewegt hat, erfolgt in Block 1272 eine Messung mit der ein kleines Sichtfeld aufweisenden Kamera 24. Durch die Betrachtung eines relativ kleineren Bereichs in Block 1272 wird die Auflösung der resultierenden dreidimensionalen Koordinaten verbessert und eine bessere Leistung zur Verfügung gestellt, um Merkmale wie beispielsweise Löcher und Kanten zu charakterisieren.
Da die Nahsichtfeldkamera einen relativ kleineren Bereich als die Weitsichtfeldkamera sieht, kann der Projektor 28 einen relativ kleineren Bereich beleuchten. Dies bietet Vorteile bei der Eliminierung einer Mehrwegestörung, weil es relativ weniger beleuchtete Punkte auf dem Objekt gibt, die Licht zurück auf das Objekt reflektieren können. Ein kleinerer beleuchteter Bereich kann auch die Steuerung der Belichtungszeit zur Erzielung der optimalen Lichtmenge für einen bestimmten Reflexionsgrad und Einfallswinkel des Prüfobjekts erleichtern. Wenn in Block 1274 alle Punkte erfasst wurden, endet das Verfahren bei Block 1276; andernfalls wird es fortgesetzt.
Bei einer Ausgestaltung, bei der der Modus ab Block 1268 automatisch ist, bewegt der automatische Mechanismus den Scanner dann in Block 1278 in die gewünschte Position. Der automatische Mechanismus hat bei einigen Ausgestaltungen Sensoren zur Bereitstellung von Informationen über die relative Position des Scanners und des Prüfobjekts. Bei einer Ausgestaltung, bei der der automatische Mechanismus ein Roboter ist, liefern Winkelmessgeräte in den Robotergelenken Informationen über die Position und Orientierung des Effektors am Roboterende, der zum Halten des Scanners benutzt wird. Bei einer Ausgestaltung, bei der das Objekt durch einen anderen Typ eines automatischen Mechanismus bewegt wird, können Lineargeber oder verschiedene andere Sensoren Informationen über die relative Position des Objekts und des Scanners zur Verfügung stellen.
Nachdem der automatische Mechanismus den Scanner oder das Objekt in die Position bewegt hat, werden dann in Block 1280 dreidimensionale Messungen mit der ein kleines Sichtfeld aufweisenden Kamera durchgeführt. Solche Messungen werden mittels Block 1282 wiederholt, bis sämtliche Messungen beendet sind, und das Verfahren endet bei Block 1284.
Der Projektor 28 verändert bei einer Ausgestaltung das strukturierte Lichtmuster, wenn der Scanner von der Datenerfassung mit der zweiten Kamera 26 zur ersten Kamera 24 umschaltet. Bei einer anderen Ausgestaltung wird dasselbe strukturierte Lichtmuster mit beiden Kameras 24, 26 benutzt. Bei noch einer anderen Ausgestaltung emittiert der Projektor 28 ein durch eine hin- und herbewegte Linie oder einen hin- und herbewegten Punkt gebildetes Muster, wenn die Daten von der ersten Kamera 24 erfasst werden. Nach der Datenerfassung mit der ersten Kamera 24 wird das Verfahren mit der Abtastung mittels der zweiten Kamera 26 fortgesetzt. Dieses Verfahren geht weiter, bis der Bediener den gewünschten Bereich des Teils abgetastet hat.
Es versteht sich, dass, obwohl das Verfahren von 2 als lineares oder sequentielles Verfahren dargestellt ist, bei anderen Ausgestaltungen einer oder mehrere der dargestellten Schritte parallel ausgeführt werden können. Bei dem in 2 dargestellten Verfahren beinhaltete das Verfahren zuerst das Messen des gesamten Objekts und anschließend die Durchführung weiterer detaillierter Messungen gemäß einer Bewertung der erfassten Punktwolkendaten. Eine alternative Verwendung des Scanners 20 besteht darin, mit dem Messen detaillierter oder kritischer Bereiche mittels der Kamera 24 zu beginnen, die das kleine Sichtfeld aufweist.
Es versteht sich ebenfalls, dass es bei bereits existierenden Abtastsystemen allgemeine Praxis ist, eine Möglichkeit zum Austausch der Kameralinse oder Projektorlinse als einen Weg zur Veränderung des Sichtfelds der Kamera oder des Projektors im Abtastsystem zur Verfügung zu stellen. Solche Veränderungen sind allerdings zeitaufwändig und erfordern normalerweise einen zusätzlichen Kompensationsschritt, in dem ein Gegenstand wie beispielsweise eine Punktplatte vor der Kamera oder dem Projektor angeordnet wird, um die Abbildungsfehler-Korrekturparameter für das Kamera- oder Projektorsystem zu ermitteln. Somit bietet ein Abtastsystem, das zwei Kameras mit verschiedenen Sichtfeldern wie beispielsweise die Kameras 24, 26 von 1 bereitstellt, einen signifikanten Vorteil bei der Messgeschwindigkeit und dabei, dem Scanner einen vollautomatischen Modus zur Verfügung zu stellen.
In 3 ist eine andere Ausgestaltung eines Scanners 20 mit einem Gehäuse 22 dargestellt, das ein erstes Koordinatenerfassungssystem 76 und ein zweites Koordinatenerfassungssystem 78 umfasst. Das erste Koordinatenerfassungssystem 76 umfasst einen ersten Projektor 80 und eine erste Kamera 82. Ähnlich wie bei der Ausgestaltung von 1 emittiert der Projektor 80 ein Licht 84 auf eine Oberfläche 32 eines Objekts 34. Bei der beispielhaften Ausgestaltung nutzt der Projektor 80 eine sichtbares Licht ausstrahlende Lichtquelle, die einen Mustererzeuger beleuchtet. Die sichtbares Licht ausstrahlende Lichtquelle kann beispielsweise ein Laser, eine Superlumineszenzdiode, eine Glühlampe, eine Xenonlampe, eine Leuchtdiode (LED) oder eine andere Leuchtvorrichtung sein. Der Mustererzeuger ist bei einer Ausgestaltung eine Chrommaske mit einem auf ihr aufgeätzten strukturierten Lichtmuster. Die Fotomaske kann ein einziges Muster oder mehrere Muster aufweisen, die sich je nach Bedarf in die und aus der Position bewegen. Die Fotomaske kann manuell oder automatisch in der Betriebsstellung eingebaut werden. Bei anderen Ausgestaltungen kann das Quellmuster ein Licht sein, das von einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung (DMD) wie beispielsweise einem von der Firma Texas Instruments Corporation hergestellten digitalen Lichtprojektor (DLP), einer Flüssigkristallanzeige (LCD), einer Flüssigkristall-auf-Silizium-Vorrichtung (LCOS) oder einer ähnlichen Vorrichtung, die im Durchlassmodus statt im Reflexionsmodus verwendet wird, reflektiert oder durchgelassen wird. Der Projektor 80 kann ferner ein Linsensystem 86 umfassen, das das austretende Licht derart verändert, dass es die gewünschten Fokaleigenschaften hat.
Die erste Kamera 82 umfasst einen Sensor 88 der photosensitiven Anordnung, der ein digitales Bild bzw. eine digitale Darstellung des Bereichs 90 im Sichtfeld des Sensors erzeugt. Der Sensor kann ein Sensor vom Typ ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD) oder ein Sensor vom Typ komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) sein, der beispielsweise eine Pixelanordnung aufweist. Die erste Kamera 82 kann ferner andere Komponenten wie beispielsweise eine Linse 92 und andere optische Vorrichtungen umfassen, aber ohne darauf beschränkt zu sein. Der erste Projektor 80 und die erste Kamera 82 sind derart in feststehender Beziehung in einem Winkel angeordnet, dass die erste Kamera 82 Licht 85 des ersten Projektors 80 erfassen kann, das von der Oberfläche 32 des Objekts 34 reflektiert wird. Es versteht sich, dass, weil die erste Kamera 82 und der erste Projektor 80 in feststehender Beziehung angeordnet sind, die oben besprochenen Prinzipien der Trigonometrie zur Ermittlung der Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche 32 im Bereich 90 verwendet werden können. Obwohl 3 der Klarheit halber mit der ersten Kamera 82 nahe dem ersten Projektor 80 abgebildet ist, versteht es sich, dass die Kamera näher an der anderen Seite des Gehäuses 22 angeordnet werden könnte. Beabstandet man die erste Kamera 82 und den ersten Projektor 80 weiter auseinander, kann man davon ausgehen, dass die Genauigkeit der 3D-Messung verbessert wird.
Das zweite Koordinatenerfassungssystem 78 umfasst einen zweiten Projektor 94 und eine zweite Kamera 96. Der Projektor 94 hat eine Lichtquelle, die einen Laser, eine Leuchtdiode (LED), eine Superlumineszenzdiode (SLED; superluminescent diode), eine Xenonlampe oder einen anderen geeigneten Lichtquellentyp umfassen kann. Eine Linse 98 dient bei einer Ausgestaltung zur Fokussierung des von der Laserlichtquelle kommenden aufgefangenen Lichts zu einer Lichtlinie 100 und kann eine oder mehrere Zylinderlinsen oder Linsen mit verschiedenen anderen Formen umfassen. Die Linse wird hierin auch als „Linsensystem“ bezeichnet, weil sie eine oder mehrere einzelne Linsen oder eine Sammlung von Linsen umfassen kann. Die Lichtlinie ist im Wesentlichen gerade, d. h., dass die maximale Abweichung von einer Linie unter 1 % ihrer Länge liegt. Ein von einer Ausgestaltung benutzter Linsentyp ist eine Stablinse. Stablinsen haben typisch die Form eines aus Glas oder Kunststoff bestehenden Vollzylinders, der an seinem Umfang poliert ist und an beiden Enden geschliffen ist. Solche Linsen wandeln kollimiertes Licht, das durch den Durchmesser des Stabs durchgeht, in eine Linie um. Ein anderer Linsentyp, den man benutzen kann, ist eine Zylinderlinse. Eine Zylinderlinse ist eine Linse, die die Form eines Teilzylinders aufweist. Beispielsweise kann eine Oberfläche einer Zylinderlinse flach sein, während die gegenüberliegende Oberfläche zylinderförmig ist.
Bei einer anderen Ausgestaltung erzeugt der Projektor 94 ein zweidimensionales Lichtmuster, das einen Bereich der Oberfläche 32 abdeckt. Das sich daraus ergebende Koordinatenerfassungssystem 78 wird dann als „Scanner mit strukturiertem Licht“ bezeichnet.
Die zweite Kamera 96 umfasst einen Sensor 102 wie beispielsweise einen Sensor vom Typ ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD) oder einen Sensor vom Typ komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS). Die zweite Kamera 96 kann ferner andere Komponenten wie beispielsweise eine Linse 104 und andere optische Vorrichtungen umfassen, aber ohne darauf beschränkt zu sein. Der zweite Projektor 94 und die zweite Kamera 96 sind derart in einem Winkel angeordnet, dass die zweite Kamera 96 Licht 106 des zweiten Projektors 94 erfassen kann, das vom Objekt 34 reflektiert wird. Es versteht sich, dass, weil der zweite Projektor 94 und die zweite Kamera 96 in feststehender Beziehung angeordnet sind, die oben besprochenen Prinzipien der Trigonometrie zur Ermittlung der Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche 32 auf der durch das Licht 100 gebildeten Linie verwendet werden können. Es versteht sich auch, dass die Kamera 96 und der Projektor 94 auf einander gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 22 angeordnet werden können, um die 3D-Messgenauigkeit zu verbessern.
Das zweite Koordinatenerfassungssystem ist bei einer anderen Ausgestaltung dafür konfiguriert, verschiedene Muster zu projizieren, die nicht nur eine feste Lichtlinie, sondern auch eine hin- und herbewegte Lichtlinie, ein hin- und herbewegter Lichtpunkt, ein kodiertes Lichtmuster (das einen Bereich abdeckt) oder aufeinanderfolgende Muster (die einen Bereich abdecken) sein kann. Jeder Typ des Projektionsmusters hat unterschiedliche Vorteile wie zum Beispiel Geschwindigkeit, Genauigkeit und Unempfindlichkeit für eine Mehrwegestörung. Durch Auswerten der Leistungsanforderungen für jede bestimmte Messung und/oder durch Überprüfen der Kennwerte der zurückgesendeten Daten oder der voraussichtlichen Objektform (aus CAD-Modellen oder aus einer 3D-Rekonstruktion auf Basis der erfassten Abtastungsdaten) ist es möglich, den Typ des projizierten Musters auszuwählen, der die Leistung optimiert.
Bei einer weiteren Ausgestaltung ist der Abstand zwischen dem zweiten Koordinatenerfassungssystem 78 und der Objektoberfläche 32 anders als der Abstand zwischen dem ersten Koordinatenerfassungssystem 76 und der Objektoberfläche 32. Beispielsweise kann die Kamera 96 näher am Objekt 32 positioniert sein als die Kamera 88. Auf diese Weise können die Auflösung und die Genauigkeit des zweiten Koordinatenerfassungssystems 78 relativ zu der des ersten Koordinatenerfassungssystem 76 verbessert werden. Es ist in vielen Fällen hilfreich, schnell ein relativ großes und glattes Objekt mit einem niedriger auflösenden System 76 abzutasten und anschließend Details einschließlich Kanten und Löchern mit einem höher auflösenden System 78 abzutasten.
Ein Scanner 20 kann im manuellen oder automatischen Modus benutzt werden. Im manuellen Modus wird ein Bediener gemäß dem benutzten Erfassungssystem aufgefordert, den Scanner näher zur Objektoberfläche zu bewegen oder weiter von der Objektoberfläche fortzubewegen. Darüber hinaus kann der Scanner 20 einen Lichtstrahl oder ein Lichtmuster projizieren, der bzw. das dem Bediener die Richtung anzeigt, in welcher der Scanner zu bewegen ist. Alternativ dazu können Anzeigeleuchten auf dem Gerät die Richtung anzeigen, in welcher der Scanner bewegt werden sollte. Im automatischen Modus können der Scanner 20 oder das Objekt 34 gemäß den Anforderungen der Messung automatisch relativ zueinander bewegt werden.
Ähnlich wie bei der Ausgestaltung von 1 sind das erste Koordinatenerfassungssystem 76 und das zweite Koordinatenerfassungssystem 78 elektrisch an eine Steuervorrichtung 50 gekoppelt, die im Gehäuse 22 angeordnet ist. Die Steuervorrichtung 50 kann einen oder mehrere Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren, Speicher- und Signalkonditionierschaltungen umfassen. Der Scanner 20 kann ferner Aktoren (nicht dargestellt) umfassen, die vom Bediener manuell eingeschaltet werden können, um den Betrieb und die Datenerfassung durch den Scanner 20 zu beginnen. Bei einer Ausgestaltung wird die Bildverarbeitung zur Ermittlung der x-, y-, z-Koordinatendaten der die Oberfläche 32 des Objekts 34 repräsentierenden Punktwolke durch die Steuervorrichtung 50 durchgeführt. Die Koordinatendaten können lokal wie beispielsweise in einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher 54 gespeichert werden. Der Speicher kann entfernbar sein, also beispielsweise ein Speicherstick oder eine Speicherkarte. Der Scanner 20 hat bei anderen Ausgestaltungen eine Kommunikationsschaltung 52, die es ihm ermöglicht, die Koordinatendaten an ein entferntes Verarbeitungssystem 56 zu übertragen. Das Kommunikationsmedium 58 zwischen dem Scanner 20 und dem entfernten Verarbeitungssystem 56 kann drahtgebunden (z. B. Ethernet) oder drahtlos (z. B. Bluetooth, IEEE 802.11) sein. Bei einer Ausgestaltung werden die Koordinatendaten durch das entfernte Verarbeitungssystem 56 ermittelt und überträgt der Scanner 20 aufgenommene Bilder über das Kommunikationsmedium 58.
Nun Bezug nehmend auf 4, wird das Verfahren 1400 zum Betrieb des Scanners 20 von 3 beschrieben. In Block 1402 emittiert der erste Projektor 80 des ersten Koordinatenerfassungssystems 76 des Scanners 20 ein strukturiertes Lichtmuster auf den Bereich 90 der Oberfläche 32 des Objekts 34. Das Licht 84 des Projektors 80 wird von der Oberfläche 32 reflektiert und das reflektierte Licht 85 wird von der ersten Kamera 82 aufgefangen. Wie oben besprochen, erzeugen Veränderungen des Oberflächenprofils der Oberfläche 32 Verzerrungen im abgebildeten Lichtmuster, das von der ersten photosensitiven Anordnung 88 aufgefangen wird. Da das Muster durch strukturiertes Licht, eine Lichtlinie oder einen Lichtpunkt gebildet wird, ist es in einigen Fällen für die Steuervorrichtung 50 oder das entfernte Verarbeitungssystem 56 möglich, eine Eins-zu-eins-Entsprechung zwischen Punkten auf der Oberfläche 32 und den Pixeln in der photosensitiven Anordnung 88 zu ermitteln. Dies ermöglicht den Einsatz der oben besprochenen Triangulationsprinzipien in Block 1404, um Punktwolkendaten zu erhalten, d. h. die x-, y-, z-Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche 32 zu ermitteln. Durch Bewegen des Scanners 20 relativ zur Oberfläche 32 kann eine Punktwolke des gesamten Objekts 34 erstellt werden.
In Block 1406 ermittelt die Steuervorrichtung 50 oder das entfernte Verarbeitungssystem 56, ob die Punktwolkendaten die gewünschten Datenqualitätsattribute besitzen oder ob bei ihnen ein potenzielles Problem besteht. Die Arten von Problemen, die auftreten können, wurden vorstehend anhand von 2 besprochen und diese Erörterung wird hier nicht wiederholt. Wenn die Steuervorrichtung in Block 1406 feststellt, dass die Punktwolke die gewünschten Datenqualitätsattribute aufweist, wird das Verfahren beendet. Andernfalls erfolgt in Block 1408 eine Ermittlung, ob der Scanner im manuellen oder automatischen Modus benutzt wird. Wenn der Modus manuell ist, wird der Bediener in Block 1410 angeleitet, den Scanner in die gewünschte Position zu bewegen.
Es gibt mehrere Wege zur Anzeige der gewünschten Bewegung durch den Bediener, wie es vorstehend anhand von 2 beschrieben wurde. Diese Erörterung wird hier nicht wiederholt.
Um den Bediener für die Erzielung der gewünschten Bewegung anzuweisen, ist ein Verfahren zur Ermittlung der ungefähren Position des Scanners erforderlich. Wie anhand von 2 erläutert wurde, können Verfahren die Befestigung des Scanners 20 an einem Gelenkarm-KMG, die Verwendung von Inertialsensoren im Scanner 20, die Beleuchtung von photogrammetrischen Punkten oder die Anpassung von Merkmalen an ein angezeigtes Bild umfassen.
Nachdem der Bediener den Scanner in die Position bewegt hat, erfolgt in Block 1412 eine Messung mit dem zweiten Koordinatenerfassungssystem 78. Durch den Einsatz des zweiten Koordinatenerfassungssystems können die Auflösung und die Genauigkeit verbessert oder Probleme eliminiert werden. Wenn in Block 1414 alle Punkte erfasst wurden, endet das Verfahren bei Block 1416; andernfalls wird es fortgesetzt.
Wenn der Betriebsmodus ab Block 1408 automatisch ist, bewegt dann der automatische Mechanismus in Block 1418 den Scanner in die gewünschte Position. Ein automatischer Mechanismus hat in den meisten Fällen Sensoren, die Informationen über die relative Position des Scanners und Prüfobjekts zur Verfügung stellen. Für den Fall, in dem der automatische Mechanismus ein Roboter ist, stellen Winkelmessgeräte in den Robotergelenken Informationen über die Position und Orientierung des zum Halten des Scanners benutzten Effektors am Roboterende zur Verfügung. Für andere Typen automatischer Mechanismen können Lineargeber oder verschiedene andere Sensoren Informationen über die relative Position des Objekts und des Scanners zur Verfügung stellen.
Nachdem der automatische Mechanismus den Scanner oder das Objekt in die Position bewegt hat, werden dann in Block 1420 dreidimensionale Messungen mit dem zweiten Koordinatenerfassungssystem 78 durchgeführt. Solche Messungen werden mittels Block 1422 wiederholt, bis sämtliche Messungen beendet sind. Das Verfahren endet bei Block 1424.
Es versteht sich, dass, obwohl das Verfahren von 4 als lineares oder sequentielles Verfahren dargestellt ist, bei anderen Ausgestaltungen einer oder mehrere der dargestellten Schritte parallel ausgeführt werden können. Bei dem in 4 dargestellten Verfahren beinhaltete das Verfahren zuerst das Messen des gesamten Objekts und anschließend die Durchführung weiterer detaillierter Messungen gemäß einer Bewertung der erfassten Punktwolkendaten. Eine alternative Verwendung des Scanners 20 besteht darin, mit dem Messen detaillierter oder kritischer Bereiche unter Einsatz des zweiten Koordinatenerfassungssystems 78 zu beginnen.
Es versteht sich auch, dass es bei bereits existierenden Abtastsystemen allgemeine Praxis ist, eine Möglichkeit zum Austausch der Kameralinse oder Projektorlinse als einen Weg zur Veränderung des Sichtfelds der Kamera oder des Projektors im Abtastsystem zur Verfügung zu stellen. Solche Veränderungen sind allerdings zeitaufwändig und erfordern normalerweise einen zusätzlichen Kompensationsschritt, in dem ein Gegenstand wie beispielsweise eine Punktplatte vor der Kamera oder dem Projektor angeordnet wird, um die Abbildungsfehler-Korrekturparameter für das Kamera- oder Projektorsystem zu ermitteln. Somit bietet ein System, das zwei verschiedene Koordinatenerfassungssysteme wie beispielsweise das Abtastsystem 20 von 3 bereitstellt, einen signifikanten Vorteil bei der Messgeschwindigkeit und dabei, dem Scanner einen vollautomatischen Modus zur Verfügung zu stellen.
Bei der Durchführung von Scannermessungen kann infolge einer Mehrwegestörung ein Fehler auftreten. Es wird nun der Ursprung einer Mehrwegestörung besprochen und ein erstes Verfahren zur Eliminierung oder Reduzierung einer Mehrwegestörung beschrieben.
Der Fall einer Mehrwegestörung ereignet sich, wenn ein Teil des Lichts, das die Objektoberfläche anstrahlt, zuerst von einer anderen Oberfläche des Objekts gestreut wird, bevor es zur Kamera zurückkehrt. Für den Punkt auf dem Objekt, der dieses gestreute Licht auffängt, entspricht dieses zur photosensitiven Anordnung gesendete Licht dann nicht nur dem direkt vom Projektor projizierten Licht, sondern auch dem zu einem anderen Punkt auf dem Projektor gesendeten und vom Objekt gestreuten Licht. Das Ergebnis der Mehrwegestörung kann insbesondere im Falle von Scannern, die ein zweidimensionales (strukturiertes) Licht projizieren, dazu führen, dass der berechnete Abstand zwischen Projektor und Objektoberfläche an diesem Punkt ungenau ist.
Ein Fall einer Mehrwegestörung wird anhand von 5A veranschaulicht, wobei bei dieser Ausgestaltung ein Scanner 4570 eine Lichtlinie 4525 auf die Oberfläche 4510A eines Objekts projiziert. Die Lichtlinie 4525 verläuft senkrecht zur Papierebene. Bei einer Ausgestaltung sind die Zeilen einer photosensitiven Anordnung parallel zur Papierebene und die Spalten senkrecht zur Papierebene. Jede Zeile repräsentiert einen Punkt auf der projizierten Linie 4525 in der senkrecht zur Papierebene verlaufenden Richtung. Der Abstand zwischen Projektor und Objekt wird für diesen Punkt auf der Linie ermittelt, indem zuerst der Flächenschwerpunkt für jede Zeile berechnet wird. Bei dem Oberflächenpunkt 4526 wird der Flächenschwerpunkt auf der photosensitiven Anordnung 4541 durch den Punkt 4546 repräsentiert.
Die Position 4546 des Flächenschwerpunkts auf der photosensitiven Anordnung kann zur Berechnung des Abstands zwischen dem perspektivischen Zentrum 4544 der Kamera und dem Objektpunkt 4526 verwendet werden. Diese Berechnung beruht auf trigonometrischen Beziehungen nach den Prinzipien der Triangulation. Zur Durchführung dieser Berechnungen wird der Basislinienabstand D zwischen dem perspektivischen Zentrum 4544 der Kamera und dem perspektivischen Zentrum 4523 des Projektors benötigt. Ferner muss die relative Orientierung des Projektorsystems 4520 zum Kamerasystem 4540 bekannt sein.
Zum Verständnis des durch eine Mehrwegestörung verursachten Fehlers betrachte man den Punkt 4527. Licht, das von diesem Punkt aus reflektiert bzw. gestreut wird, wird durch die Linse 4542 auf dem Punkt 4548 auf der photosensitiven Anordnung 4541 abgebildet. Zusätzlich zu dem Licht, das direkt aus dem Projektor kommend aufgefangen und vom Punkt 4527 gestreut wird, wird jedoch weiteres Licht vom Punkt 4526 auf den Punkt 4527 reflektiert, bevor es auf der photosensitiven Anordnung bildlich erfasst wird. Das Licht wird sehr wahrscheinlich zu einer unerwarteten Position reflektiert und führt zur Bildung von zwei Flächenschwerpunkten in einer bestimmten Zeile. Demzufolge ist die Beobachtung von zwei Flächenschwerpunkten in einer bestimmten Zeile ein guter Indikator für das Vorhandensein einer Mehrwegestörung.
Für den Fall des strukturierten Lichts, das auf einen Bereich der Objektoberfläche projiziert wird, ist eine Sekundärreflexion von einem Punkt wie zum Beispiel 4527 normalerweise nicht so offensichtlich wie bei Licht, das auf eine Linie projiziert wird und daher wahrscheinlicher einen Fehler bei den gemessenen 3D-Oberflächenkoordinaten verursacht.
Das Beleuchtungsmuster kann verändert werden, indem man einen Projektor mit einem einstellbaren Beleuchtungsmuster auf einem Anzeigeelement 4521 verwendet. Das Anzeigeelement 4521 könnte ein digitaler mikromechanischer Spiegel (DMM; digital micromechanical mirror) wie beispielsweise ein digitaler Lichtprojektor (DLP) sein. Solche Vorrichtungen enthalten mehrere kleine Spiegel, die mittels eines elektrischen Signals schnell einstellbar sind, um ein Beleuchtungsmuster schnell einzustellen. Zu den anderen Vorrichtungen, die ein elektrisch einstellbares Anzeigemuster bilden können, gehören eine LCD-Anzeigevorrichtung (Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung) und eine LCOS-Anzeigevorrichtung (Flüssigkristall-auf-Silizium-Anzeigevorrichtung).
Ein Weg zur Überprüfung einer Mehrwegestörung in einem System, das strukturiertes Licht über einen Bereich projiziert, besteht darin, die Anzeigevorrichtung für das Projizieren einer Lichtlinie auszutauschen. Das Vorhandensein mehrerer Flächenschwerpunkte in einer Zeile zeigt an, dass eine Mehrwegestörung vorhanden ist. Durch Hin- und Herbewegen der Lichtlinie kann ein Bereich abgedeckt werden, ohne dass die Sonde von einem Bediener bewegt werden muss.
Die Lichtlinie kann durch eine elektrisch einstellbare Anzeigevorrichtung auf einen beliebigen gewünschten Winkel eingestellt werden. In vielen Fällen kann eine Mehrwegestörung durch Ändern der Richtung der projizierten Lichtlinie eliminiert werden.
Für Oberflächen, die viele Faltenwinkel und steile Winkel aufweisen, so dass Reflexionen kaum zu vermeiden sind, kann die elektrisch einstellbare Anzeigevorrichtung dazu benutzt werden, einen Lichtpunkt hin- und herzubewegen. In manchen Fällen entsteht eventuell eine Sekundärreflexion aus einem einzigen Lichtpunkt, doch es lässt sich gewöhnlich relativ leicht ermitteln, welcher der reflektierten Lichtpunkte gültig ist.
Eine elektrisch einstellbare Anzeigevorrichtung kann auch zum schnellen Umschalten zwischen einem kodierten und einem unkodierten Muster eingesetzt werden. In den meisten Fällen wird ein kodiertes Muster benutzt, um eine 3D-Messung auf Basis eines Einzelbilds der Kamerainformationen durchzuführen. Andererseits können mehrere Muster (aufeinanderfolgende oder unkodierte Muster) verwendet werden, um eine größere Genauigkeit bei den gemessenen 3D-Koordinatenwerten zu erzielen.
In der Vergangenheit wurden elektrisch einstellbare Anzeigevorrichtungen benutzt, um jedes einer Serie von Mustern in aufeinanderfolgenden Mustern – zum Beispiel eine Serie von Graulinienmustern und danach eine Sequenz von Sinusmustern mit jeweils unterschiedlicher Phase – zu projizieren.
Das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren bietet gegenüber früheren Verfahren Vorteile bei der Auswahl derjenigen Verfahren, die Probleme wie beispielsweise eine Mehrwegestörung identifizieren oder eliminieren und die anzeigen, ob ein Einzelaufnahmemuster (zum Beispiel ein kodiertes Muster) oder ein Mehrfachaufnahmemuster bevorzugt wird, um die erforderliche Genauigkeit so schnell wie möglich zu erzielen.
Im Falle eines Linienscanners ergibt sich oft ein Weg, mit dem das Vorhandensein einer Mehrwegestörung ermittelt werden kann. Falls eine Mehrwegestörung fehlt, wird das von einem Punkt auf der Objektoberfläche reflektierte Licht in einer einzigen Zeile auf einem Bereich zusammenhängender Pixel abgebildet. Wenn es zwei oder mehr Bereiche einer Zeile gibt, die eine signifikante Lichtmenge auffangen, wird eine Mehrwegestörung angezeigt. In 5A ist ein Beispiel für eine solche Mehrwegestörungsbedingung und den daraus resultierenden Extra-Beleuchtungsbereich auf der photosensitiven Anordnung dargestellt. Die Oberfläche 4510A hat jetzt eine größere Krümmung nahe dem Schnittpunkt 4526. Die Flächennormale am Schnittpunkt ist die Linie 4528 und der Einfallswinkel ist 4531. Die Richtung der reflektierten Lichtlinie 4529 wird aus dem Reflexionswinkel 4532 ermittelt, der gleich dem Einfallswinkel ist. Wie vorstehend angegeben wurde, repräsentiert die Lichtlinie 4529 eigentlich eine Gesamtrichtung für das Licht, dass über einen Winkelbereich gestreut wird. Die Mitte des gestreuten Lichts trifft auf die Oberfläche 4510A am Punkt 4527 auf, der von der Linse 4544 am Punkt 4548 auf der photosensitiven Anordnung abgebildet wird. Die unerwartet hohe Lichtmenge, die in der Nähe des Punkts 4548 aufgefangen wird, zeigt an, dass wahrscheinlich eine Mehrwegestörung vorhanden ist. Bei einem Linienscanner liegt die vorrangige Bedeutung der Mehrwegestörung nicht in dem in 5A dargestellten Fall vor, wo die zwei Punkte 4546 und 4527 um einen beträchtlichen Abstand voneinander entfernt sind und getrennt analysiert werden können, sondern vielmehr in dem Fall, in dem die zwei Punkte einander überlappen oder miteinander verschmolzen sind. In diesem Fall ist es unter Umständen nicht möglich, den Flächenschwerpunkt zu ermitteln, der dem gewünschten Punkt entspricht, welcher in 15E dem Punkt 4546 entspricht. Das Problem wird im Falle eines Scanners, der Licht über einen zweidimensionalen Bereich projiziert, noch größer, wie bei erneuter Betrachtung von 5A zu erkennen ist. Würde alles Licht, das auf der photosensitiven Anordnung 4541 abgebildet wird, für die Ermittlung zweidimensionaler Koordinaten benötigt, ist klar, dass das Licht am Punkt 4527 dem gewünschten Lichtmuster, das direkt vom Projektor projiziert wird, und dem unerwünschten Licht, das von der Objektoberfläche zum Punkt 4527 reflektiert wird, entspräche. Infolgedessen würden in diesem Fall wahrscheinlich für den Punkt 4527 die falschen dreidimensionalen Koordinaten für das über einen Bereich projizierte Licht berechnet.
Bei einer projizierten Lichtlinie ist es in vielen Fällen möglich, eine Mehrwegestörung zu eliminieren, indem man die Richtung der Linie verändert. Eine Möglichkeit besteht darin, einen Linienscanner zu verwenden, der einen Projektor mit inhärenter zweidimensionaler Fähigkeit benutzt, wodurch die Linie hin- und herbewegt oder automatisch in verschiedene Richtungen gedreht werden kann. Ein Beispiel für einen solchen Projektor ist ein Projektor, der einen wie vorstehend besprochenen digitalen Mikrospiegel (DMD) nutzt. Wenn beispielsweise eine Mehrwegestörung bei einer mit strukturiertem Licht erhaltenen bestimmten Abtastung vermutet wird, könnte ein Messsystem automatisch dafür konfiguriert werden, zu einem Messverfahren umzuschalten, bei dem eine hin- und herbewegte Lichtlinie verwendet wird.
Ein anderes Verfahren zur Reduzierung, Minimierung oder Eliminierung einer Mehrwegestörung besteht darin, einen Lichtpunkt statt einer Lichtlinie oder eines Lichtbereichs über diejenigen Bereiche hin- und herzubewegen, bei denen eine Mehrwegestörung angezeigt wurde. Durch Beleuchten eines einzigen Lichtpunkts lässt sich gewöhnlich ohne Weiteres jedwedes Licht identifizieren, das von einer Sekundärreflexion gestreut wurde.
Die Ermittlung des gewünschten Musters, das durch eine elektrisch einstellbare Anzeigevorrichtung projiziert wird, profitiert von einer diagnostischen Analyse, die nachfolgend anhand von 12 beschrieben wird.
Die Veränderung des Musters des projizierten Lichts stellt neben ihrer Verwendung bei Diagnosen und Korrekturen einer Mehrwegestörung auch Vorteile bei der Erzielung einer erforderlichen Genauigkeit und Auflösung bei minimaler Zeitdauer zur Verfügung. Bei einer Ausgestaltung wird eine Messung zuerst durchgeführt, indem ein kodiertes Lichtmuster in einer Einzelaufnahme auf ein Objekt projiziert wird. Die dreidimensionalen Koordinaten der Oberfläche werden unter Einsatz der erfassten Daten ermittelt und die Ergebnisse werden analysiert, um festzustellen, ob einige Bereiche Löcher, Kanten oder Merkmale aufweisen, die eine detailliertere Analyse erforderlich machen. Eine solche detaillierte Analyse könnte beispielsweise erfolgen, indem man die Schmalsichtfeldkamera 24 von 1 oder das hochauflösende Scannersystem 78 von 3 benutzt.
Die Koordinaten werden auch zur Ermittlung des ungefähren Abstands zum Ziel analysiert, wodurch ein Anfangsabstand für ein genaueres Messverfahren wie z. B. ein Verfahren bereitgestellt wird, bei dem, wie vorstehend besprochen, nacheinander sinusförmige phasenverschobene Lichtmuster auf eine Oberfläche projiziert werden. Erhält man mit dem kodierten Lichtmuster einen Anfangsabstand für jeden Punkt auf der Oberfläche, wird dadurch die Anforderung, diese Informationen durch Variieren des Abstands bei mehrfachen sinusförmigen phasenverschobenen Abtastungen zu erhalten, eliminiert und dadurch beträchtliche Zeit gespart.
Nun Bezug nehmend auf 5B, ist dort eine Ausgestaltung dargestellt, mit der Anomalien überwunden oder die Genauigkeit bei vom Scanner 20 erfassten Koordinatendaten verbessert werden. Das Verfahren 211 beginnt in Block 212 durch Abtasten eines Objekts wie beispielsweise eines Objekts 34 mit einem Scanner 20. Der Scanner 20 kann ein Scanner wie zum Beispiel diejenigen sein, die bei den Ausgestaltungen von 1, 3, 5 und 7 beschrieben werden, die mindestens einen Projektor und eine Kamera aufweisen. Bei dieser Ausgestaltung projiziert der Scanner 20 in Block 212 ein erstes Lichtmuster auf das Objekt. Dieses erste Lichtmuster ist bei einer Ausgestaltung ein kodiertes strukturiertes Lichtmuster. Das Verfahren 211 erfasst und ermittelt in Block 214 die dreidimensionalen Koordinatendaten. Die Koordinatendaten werden im Abfrageblock 216 analysiert, um zu ermitteln, ob etwaige Anomalien wie beispielsweise die oben genannte Mehrwegestörung, eine niedrige Auflösung rings um ein Element oder das Fehlen von Daten wegen Änderungen von Oberflächenwinkeln oder des Oberflächenreflexionsgrads vorliegen. Wenn eine Anomalie erfasst wird, geht das Verfahren 211 mit Block 218 weiter, wo das vom Projektor emittierte Lichtmuster in ein zweites Lichtmuster umgeändert wird. Bei einer Ausgestaltung ist das zweite Lichtmuster eine hin- und herbewegte Lichtlinie.
Nach der Projektion des zweiten Lichtmusters geht das Verfahren 211 mit Block 220 weiter, wo die dreidimensionalen Koordinatendaten erfasst und für den Bereich, wo die Anomalie erfasst wurde, ermittelt werden. Das Verfahren 211 kehrt zum Abfrageblock 216 zurück, wo ermittelt wird, ob die Anomalie aufgelöst wurde. Wenn der Abfrageblock 216 immer noch eine Anomalie oder einen Mangel bei der Genauigkeit oder Auflösung erfasst, kehrt das Verfahren zu Block 218 zurück und schaltet zu einem dritten Lichtmuster um. Das dritte Lichtmuster ist bei einer Ausgestaltung ein sequentielles sinusförmiges Phasenverschiebungsmuster. Bei einer anderen Ausgestaltung ist das dritte Lichtmuster ein hin- und herbewegter Lichtpunkt. Diese iterative Methode geht weiter, bis die Anomalie aufgelöst wurde. Sobald die Koordinatendaten aus dem Bereich der Anomalie ermittelt wurden, geht das Verfahren 211 mit Block 222 weiter, wo das emittierte Muster zum ersten strukturierten Lichtmuster zurückgeschaltet und das Abtastverfahren fortgesetzt wird. Das Verfahren 211 geht weiter, bis der Bediener den gewünschten Bereich des Objekts abgetastet hat. In dem Fall, in dem die mit dem Verfahren von 11 erhaltenen Abtastinformationen nicht zufriedenstellend sind, kann man eine wie hierin besprochene Messaufgabe mit einer Tastsonde anwenden.
Nun Bezug nehmend auf 6, ist dort eine andere Ausgestaltung eines Scanners 20 dargestellt, die an einer beweglichen Vorrichtung 120 angebracht ist. Der Scanner 20 hat mindestens einen Projektor 122 und mindestens eine Kamera 124, die derart in einer feststehenden geometrischen Beziehung angeordnet sind, dass die Prinzipien der Trigonometrie für die Ermittlung der dreidimensionalen Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche 32 verwendet werden können. Der Scanner 20 kann beispielsweise derselbe Scanner wie der anhand von 1 oder 3 beschriebene sein. Bei einer Ausgestaltung ist der Scanner derselbe wie der Scanner von 10 mit einer Tastsonde. Der bei der Ausgestaltung von 6 benutzte Scanner kann jedoch ein beliebiger Scanner wie beispielsweise ein Scanner mit strukturiertem Licht oder ein Linienscanner sein, also zum Beispiel ein Scanner, der in dem am 18. Januar 2006 angemeldeten US-Patent 7,246,030 des gleichen Inhabers mit dem Titel „Portable Coordinate Measurement Machine with Integrated Line Laser Scanner“ offenbart wird. Bei einer anderen Ausgestaltung ist der bei der Ausgestaltung von 6 verwendete Scanner ein Scanner mit strukturiertem Licht, der Licht über einen Bereich auf ein Objekt projiziert.
Die bewegliche Vorrichtung 120 ist bei der beispielhaften Ausgestaltung eine Robotervorrichtung, die automatische Bewegungen mit Armsegmenten 126, 128 bereitstellt, die durch Dreh- und Schwenkgelenke 130 miteinander verbunden sind, um die Bewegung der Armsegmente 126, 128 zu ermöglichen, woraus sich ergibt, dass sich der Scanner 20 von einer ersten Position zu einer zweiten Position bewegt (wie es durch die gestrichelte Linie in 6 angezeigt ist). Die bewegliche Vorrichtung 120 kann Aktoren wie beispielsweise Motoren (nicht dargestellt) umfassen, die an die Armsegmente 126, 128 gekoppelt sind, um die Armsegmente 126, 128 von der ersten zur zweiten Position zu bewegen. Es versteht sich, dass eine bewegliche Vorrichtung 120 mit Gelenkarmen dem Zweck der Veranschaulichung dient und die beanspruchte Erfindung so nicht eingeschränkt sein sollte. Bei anderen Ausgestaltungen kann der Scanner 20 an einer beweglichen Vorrichtung angebracht sein, die ihn zum Beispiel über Schienen, Räder, Bahnen, Riemen oder Seile oder eine Kombination der vorangehenden bewegt. Bei anderen Ausgestaltungen hat der Roboter eine andere Anzahl von Armsegmenten.
Die bewegliche Vorrichtung ist bei einer Ausgestaltung ein Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) wie beispielsweise das in der am 20. Januar eingereichten US-Patentanmeldung, Aktenzeichen Nr. 13/491,176, des gleichen Inhabers beschriebene. Bei dieser Ausgestaltung kann die Bewegung des Scanners 20 von der ersten zur zweiten Position beinhalten, dass der Bediener die Armsegmente 126, 128 manuell bewegt.
Bei einer Ausgestaltung mit einer automatischen Vorrichtung umfasst die bewegliche Vorrichtung 120 des Weiteren eine Steuervorrichtung 132, die dafür konfiguriert ist, die Aktoren einzuschalten, um die Armsegmente 126, 128 zu bewegen. Die Steuervorrichtung 132 kommuniziert bei einer Ausgestaltung mit einer Steuervorrichtung 134. Wie nachfolgend ausführlicher besprochen wird, ermöglicht diese Anordnung der Steuervorrichtung 132 als Reaktion auf eine Anomalie bei den erfassten Daten das Bewegen des Scanners 20. Es versteht sich, dass die Steuervorrichtungen 132, 134 in eine einzige Verarbeitungseinheit eingebracht werden können oder die Funktionalität auf mehrere Verarbeitungseinheiten verteilt werden kann.
Mittels der Durchführung einer Analyse anhand von 12 ist es möglich, den Scanner 20 derart zu positionieren und zu orientieren, dass die gewünschten Messergebnisse erzielt werden. Bei einigen Ausgestaltungen kann ein gemessenes Merkmal von einer gewünschten Richtung des Scanners profitieren. Die Messung des Durchmessers eines Lochs lässt sich beispielsweise verbessern, indem die Scannerkamera 124 derart orientiert wird, dass sie ungefähr senkrecht zum Loch ist. Bei anderen Ausgestaltungen kann ein Scanner derart angeordnet werden, dass die Möglichkeit einer Mehrwegestörung reduziert oder minimiert wird. Eine solche Analyse kann auf einem CAD-Modell basieren, das als Teil der Diagnosemethode zur Verfügung steht, oder sie kann auf Daten basieren, die vom Scanner in einer Anfangsposition erfasst wurden, bevor eine zweite Bewegung des Scanners 20 durch die Vorrichtung 120 erfolgte.
Nun Bezug nehmend auf 7, wird der Betrieb des Scanners 20 und der beweglichen Vorrichtung 120 beschrieben. Das Verfahren beginnt bei Block 136 mit dem Abtasten des Objekts 34 mit dem Scanner 20 in der ersten Position. Der Scanner 20 erfasst und ermittelt in Block 138 Koordinatendaten von Punkten auf der Oberfläche 32 des Objekts 34. Es versteht sich, dass die bewegliche Vorrichtung 120 den Scanner 20 bewegen kann, um Daten über Oberflächenpunkte in einem gewünschten Bereich zu erfassen. Es wird im Abfrageblock 140 ermittelt, ob eine Anomalie in den Koordinatendaten bei Punkt 142 wie beispielsweise eine Mehrwegestörung vorliegt oder ob die Richtung verändert werden muss, um eine verbesserte Auflösung oder Messgenauigkeit zu erzielen. Es versteht sich, dass der Punkt 142 von 6 einen einzigen Punkt, eine Linie von Punkten oder einen Bereich der Oberfläche 32 repräsentieren kann. Wenn eine Anomalie oder ein Bedarf an einer verbesserten Genauigkeit erkannt wird, geht das Verfahren mit Block 144 weiter, wo die bewegliche Vorrichtung 120 die Position des Scanners beispielsweise von der ersten zur zweiten Position bewegt und den interessierenden Bereich in Block 146 erneut abtastet, um dreidimensionale Koordinatendaten zu erfassen. Das Verfahren kehrt zum Abfrageblock 140 zurück, wo ermittelt wird, ob immer noch eine Anomalie in den Koordinatendaten vorliegt oder ob eine Verbesserung der Messgenauigkeit gewünscht wird. Der Scanner 20 wird in diesen Fällen wieder bewegt und das Verfahren geht weiter, bis die Messergebnisse ein gewünschtes Niveau erreichen. Sobald die Koordinatendaten erhalten sind, geht das Verfahren vom Abfrageblock 140 zu Block 148 weiter, wo das Abtastverfahren fortgesetzt wird, bis der gewünschte Bereich abgetastet ist.
Bei Ausgestaltungen, bei denen der Scanner 20 eine Tastsonde (10) umfasst, kann die Bewegung des Scanners von der ersten zur zweiten Position derart angeordnet werden, dass sie die interessierenden Bereiche mit der Tastsonde berührt. Da die Position des Scanners und somit der Tastsonde aus der Position und Orientierung der Armsegmente 126, 128 ermittelt werden kann, lassen sich die dreidimensionalen Koordinaten des Punkts auf der Oberfläche 32 ermitteln.
Bei einigen Ausgestaltungen werden die mit dem Scanner 20 von 8A, 8B erhaltenen Messergebnisse möglicherweise durch eine Mehrwegestörung verfälscht. In anderen Fällen liefern die Messergebnisse unter Umständen nicht die gewünschte Auflösung oder Genauigkeit für die korrekte Messung von einigen Charakteristika der Oberfläche 32 wie beispielsweise Kanten, Löchern oder komplexen Merkmalen. In diesen Fällen ist es möglicherweise erstrebenswert, wenn ein Bediener eine entfernte Sonde 152 benutzt, um Punkte oder Bereiche auf der Oberfläche 32 abzufragen. Der Scanner 20 umfasst bei einer in 8A, 8B dargestellten Ausgestaltung einen Projektor 156 und Kameras 154, 155, die derart in einem Winkel relativ zum Projektor 156 angeordnet sind, dass das vom Projektor 156 emittierte Licht von der Oberfläche 32 reflektiert und von einer oder beiden der Kameras 154, 155 aufgefangen wird. Der Projektor 156 und die Kameras 154, 155 sind derart in feststehender geometrischer Beziehung angeordnet, dass die Prinzipien der Trigonometrie eingesetzt werden können, um die dreidimensionalen Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche 32 zu ermitteln.
Der Projektor 156 ist bei einer Ausgestaltung dafür konfiguriert, ein sichtbares Licht 157 auf einen interessierenden Bereich 159 auf der Oberfläche 32 des Objekts 34 zu emittieren, wie es in 8A dargestellt ist. Die dreidimensionalen Koordinaten des beleuchteten interessierenden Bereichs 159 können bestätigt werden, indem das Bild des beleuchteten Bereichs 159 einer oder beider Kameras 154, 155 verwendet wird.
Der Scanner 20 ist dafür konfiguriert, mit der entfernten Sonde 152 derart zusammenzuwirken, dass ein Bediener eine Sondenspitze 166 mit der Objektoberfläche 132 am beleuchteten interessierenden Bereich 159 in Kontakt bringen kann. Bei einer Ausgestaltung umfasst die entfernte Sonde 152 mindestens drei nicht-kollineare Lichtpunkte 168. Die Lichtpunkte 168 können Lichtpunkte, die beispielsweise durch Leuchtdioden (LEDs) erzeugt werden, oder reflektierende Lichtpunkte, die durch eine Infrarotlichtquelle oder eine sichtbares Licht ausstrahlende Lichtquelle aus dem Projektor 156 oder einer anderen nicht in 8B abgebildeten Lichtquelle beleuchtet werden, sein. Die Infrarotlichtquelle oder die sichtbares Licht ausstrahlende Lichtquelle kann in diesem Fall am Scanner 20 befestigt oder außerhalb des Scanners 20 angeordnet sein. Durch die Ermittlung der dreidimensionalen Koordinaten der Lichtpunkte 168 mit dem Scanner und durch die Verwendung von Informationen über die Geometrie der Sonde 152 kann die Position der Sondenspitze 166 ermittelt werden, wodurch die Ermittlung der Koordinaten der Objektoberfläche 32 ermöglicht wird. Eine auf diese Weise benutzte Tastsonde eliminiert potentielle Probleme wegen einer Mehrwegestörung und ermöglicht auch eine relative genaue Messung von Löchern, Kanten und detaillierten Merkmalen. Die Sonde 166 ist bei einer Ausgestaltung eine Tastsonde, die durch Drücken eines Betätigungsknopfs (nicht dargestellt) auf der Sonde eingeschaltet werden kann, oder die Sonde 166 kann eine Berührungstriggersonde sein, die durch den Kontakt mit der Oberfläche 32 eingeschaltet wird. Als Reaktion auf ein von dem Betätigungsknopf oder der Berührungstriggersonde erzeugtes Signal überträgt eine Kommunikationsschaltung (nicht dargestellt) ein Signal an den Scanner 20. Die Lichtpunkte 168 sind bei einer Ausgestaltung durch geometrische Lichtmuster ersetzt, die Linien oder Kurven umfassen können.
Nun Bezug nehmend auf 9, ist dort ein Verfahren zur Erfassung von Koordinatendaten für Punkte auf der Oberfläche 32 des Objekts 34 unter Einsatz eines feststehenden Scanners 20 von 8A, 8B mit einer entfernten Sonde 152 dargestellt. Das Verfahren beginnt bei Block 170 mit dem Abtasten der Oberfläche 32 des Objekts 34. Das Verfahren erfasst und ermittelt in Block 172 die dreidimensionalen Koordinatendaten der Oberfläche 32. Das Verfahren ermittelt dann im Abfrageblock 174, ob eine Anomalie in den Koordinatendaten des Bereichs 159 vorliegt oder ob es ein Problem bei der Genauigkeit oder Auflösung des Bereichs 159 gibt. Eine Anomalie könnten ungültige Daten sein, die beispielsweise wegen einer Mehrwegestörung verworfen werden. Eine Anomalie könnten auch fehlende Daten wegen des Reflexionsgrads der Oberfläche oder einer mangelhaften Auflösung rings um ein Merkmal wie beispielsweise eine Öffnung oder ein Loch sein. Einzelheiten über eine Diagnosemethode zur Erfassung (Identifizierung) einer Mehrwegestörung und damit zusammenhängende Probleme werden anhand von 12 angegeben.
Sobald der Bereich 159 identifiziert wurde, zeigt der Scanner 20 in Block 176 dem Bediener an, dass die Koordinatendaten des Bereichs 159 über die entfernte Sonde 152 erfasst werden können. Dieser Bereich 159 kann durch Emittieren eines sichtbaren Lichts 157 zum Beleuchten des Bereichs 159 angezeigt werden. Bei einer Ausgestaltung wird das Licht 157 vom Projektor 156 emittiert. Die Farbe des Lichts 157 kann verändert werden, um den Bediener über die Art der Anomalie oder des Problems zu informieren. Wenn beispielsweise eine Mehrwegestörung auftritt, kann das Licht 157 rotfarbig sein, während es bei einer niedrigen Auflösung grünfarbig sein kann. Der Bereich kann des Weiteren auf einer Anzeigevorrichtung angezeigt werden, die eine grafische Darstellung (z. B. ein CAD-Modell) des Objekts aufweist.
Das Verfahren geht dann mit Block 178 weiter, um ein Bild der entfernten Sonde 152 aufzunehmen, wenn der Sensor 166 die Oberfläche 32 berührt. Die Lichtpunkte 168, die zum Beispiel LEDs oder reflektierende Ziele sein können, werden von einer der Kameras 154, 155 aufgefangen. Mittels Best-Fit-Verfahren, die dem Mathematiker weithin bekannt sind, ermittelt der Scanner 20 in Block 180 die dreidimensionalen Koordinaten der Sondenmitte, von welcher aus dreidimensionale Koordinaten der Objektoberfläche 32 in Block 180 ermittelt werden. Sobald die Punkte im Bereich 159, wo die Anomalie erkannt wurde, erfasst sind, kann das Verfahren in Block 182 mit der Abtastung des Objekts 34 fortfahren, bis die gewünschten Bereiche abgetastet sind.
Nun Bezug nehmend auf 10, ist dort eine andere Ausgestaltung des Scanners 20 dargestellt, der während des Betriebs vom Bediener in der Hand gehalten werden kann. Das Gehäuse 22 kann bei dieser Ausgestaltung einen Griff 186 umfassen, der dem Bediener das Halten des Scanners 20 während des Betriebs gestattet. Das Gehäuse 22 umfasst einen Projektor 188 und eine Kamera 190, die derart in einem Winkel relativ zueinander angeordnet sind, dass das vom Projektor emittierte Licht 192 von der Oberfläche 32 reflektiert und von der Kamera 190 aufgefangen wird. Der Scanner 20 von 10 wird in einer Weise betrieben, die im Wesentlichen den Ausgestaltungen von 1 und 3 ähnelt, und erfasst mittels der Prinzipien der Trigonometrie dreidimensionale Koordinatendaten von Punkten auf der Oberfläche 32.
Der Scanner 20 umfasst ferner ein integriertes Sondenelement 184. Das Sondenelement 184 umfasst einen Sensor 194 an einem Ende. Der Sensor 194 ist beispielsweise eine Tastsonde, die auf das Drücken eines Betätigungsknopfs (nicht dargestellt) durch einen Bediener ansprechen kann, oder er kann eine Berührungstriggersonde sein, die auf den Kontakt mit der Oberfläche 32 anspricht. Wie nachfolgend ausführlicher besprochen wird, ermöglicht das Sondenelement 184 dem Bediener die Erfassung der Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche 32, indem der Sensor 194 die Oberfläche 32 berührt.
Der Projektor 188, die Kamera 190 und eine Betätigungsschaltung für den Sensor 194 sind elektrisch an eine Steuervorrichtung 50 gekoppelt, die im Gehäuse 22 angeordnet ist. Die Steuervorrichtung 50 kann einen oder mehrere Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren, Speicher- und Signalkonditionierschaltungen umfassen. Der Scanner 20 kann ferner Aktoren (nicht dargestellt) wie beispielsweise den Griff 186 umfassen, die vom Bediener manuell eingeschaltet werden können, um den Betrieb und die Datenerfassung durch den Scanner 20 zu beginnen. Bei einer Ausgestaltung wird die Bildverarbeitung zur Ermittlung der x-, y-, z-Koordinatendaten der die Oberfläche 32 des Objekts 34 repräsentierenden Punktwolke durch die Steuervorrichtung 50 durchgeführt. Die Koordinatendaten können lokal wie beispielsweise in einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher 54 gespeichert werden. Der Speicher kann entfernbar sein, also beispielsweise ein Speicherstick oder eine Speicherkarte. Der Scanner 20 hat bei anderen Ausgestaltungen eine Kommunikationsschaltung 52, die es ihm ermöglicht, die Koordinatendaten an ein entferntes Verarbeitungssystem 56 zu übertragen. Das Kommunikationsmedium 58 zwischen dem Scanner 20 und dem entfernten Verarbeitungssystem 56 kann drahtgebunden (z. B. Ethernet) oder drahtlos (z. B. Bluetooth, IEEE 802.11) sein. Bei einer Ausgestaltung werden die Koordinatendaten durch das entfernte Verarbeitungssystem 56 ermittelt und überträgt der Scanner 20 aufgenommene Bilder über das Kommunikationsmedium 58.
Nun Bezug nehmend auf 11, wird der Betrieb des Scanners 20 von 10 beschrieben. Das Verfahren beginnt bei Block 196 damit, dass der Bediener die Oberfläche 32 des Objekts 34 abtastet, indem er den Scanner 20 manuell bewegt. Die dreidimensionalen Koordinaten werden in Block 198 ermittelt und erfasst. Im Anfrageblock 200 wird ermittelt, ob eine Anomalie in den Koordinatendaten vorhanden ist oder ob eine verbesserte Genauigkeit benötigt wird. Wie oben besprochen, können Anomalien aus mehreren Gründen wie beispielsweise einer Mehrwegestörung oder einer niedrigen Auflösung eines Merkmals auftreten. Wenn eine Anomalie vorliegt, geht das Verfahren mit Block 202 weiter, wo dem Bediener der Bereich 204 angezeigt wird. Der Bereich 204 kann durch Projizieren eines sichtbaren Lichts 192 mit dem Projektor 188 auf die Oberfläche 32 angezeigt werden. Das Licht 192 ist bei einer Ausgestaltung farbig, um dem Bediener die Art der erkannten Anomalie zu melden.
Der Bediener fährt dann in Block 206 damit fort, den Scanner von einer ersten Position zu einer zweiten Position zu bewegen (durch die gestrichelten Linien angezeigt). In der zweiten Position berührt der Sensor 194 die Oberfläche 32. Die Position und die Orientierung (bis 6 Freiheitsgrade) des Scanners 20 in der zweiten Position können unter Einsatz von weithin bekannten Best-Fit-Verfahren auf Basis von Bildern ermittelt werden, die von der Kamera 190 aufgenommen wurden. Da die Abmessungen und die Anordnung des Sensors 194 bezogen auf die mechanische Struktur des Scanners 20 bekannt sind, können in Block 208 die dreidimensionalen Koordinatendaten der Punkte im Bereich 204 ermittelt werden. Das Verfahren geht dann mit Block 210 weiter, wo die Abtastung des Objekts fortgesetzt wird. Das Abtastverfahren geht weiter, bis der gewünschte Bereich abgetastet ist.
Ein allgemeiner Ansatz kann zur Auswertung nicht nur einer Mehrwegestörung, sondern auch der allgemeinen Qualität, die die Auflösung und die Wirkung der Materialart, die Oberflächengüte und die Geometrie umfasst, benutzt werden. Auch Bezug nehmend auf 12, kann ein Verfahren 4600 bei einer Ausgestaltung automatisch unter der Steuerung eines Computers durchgeführt werden. Ein Schritt 4602 besteht darin, zu ermitteln, ob Informationen über dreidimensionale Koordinaten eines Prüfobjekts zur Verfügung stehen. Ein erster Typ einer dreidimensionalen Information sind CAD-Daten. CAD-Daten zeigen normalerweise die Nennmaße eines Prüfobjekts an. Ein zweiter Typ einer dreidimensionalen Information sind gemessene dreidimensionale Daten – zum Beispiel Daten, die vorher mit einem Scanner oder einer anderen Vorrichtung gemessen wurden. Der Schritt 4602 kann in einigen Fällen einen weiteren Schritt der Ausrichtung des Bezugssystems des Koordinatenmessgeräts – beispielsweise eines Lasertrackers oder eines Scanner-Zusatzteils mit 6 Freiheitsgraden – auf das Bezugssystem des Objekts umfassen. Dies erfolgt bei einer Ausgestaltung durch Messen von mindestens drei Punkten auf der Oberfläche des Objekts mit dem Lasertracker.
Wenn die Antwort auf die in Schritt 4602 gestellte Frage lautet, dass die dreidimensionale Information zur Verfügung steht, wird dann in einem Schritt 4604 der Computer oder Prozessor benutzt, um die Anfälligkeit der Objektmessung für eine Mehrwegestörung zu berechnen. Bei einer Ausgestaltung wird dies durchgeführt, indem jeder vom Scannerprojektor emittierte Lichtstrahl projiziert und der Winkel oder die Reflexion für jeden Fall berechnet wird. Der Computer oder die Software identifiziert jeden Bereich der Objektoberfläche, der infolge einer Mehrwegestörung fehleranfällig ist. In Schritt 4604 kann man auch eine Analyse der Anfälligkeit für einen Mehrwegefehler bei verschiedenen Positionen der 6 Freiheitsgrade aufweisenden Sonde relativ zum Prüfobjekt durchführen. In einigen Fällen kann eine Mehrwegestörung vermieden oder minimiert werden, indem man eine geeignete Position und Orientierung der 6 Freiheitsgrade aufweisenden Sonde relativ zum Prüfobjekt wie oben beschrieben auswählt. Wenn die Antwort auf die in Schritt 4602 gestellte Frage lautet, dass die dreidimensionale Information nicht zur Verfügung steht, besteht dann ein Schritt 4606 darin, die dreidimensionalen Koordinaten der Objektoberfläche mit irgendeinem gewünschten oder bevorzugten Messverfahren zu messen. Im Anschluss an die Berechnung der Mehrwegestörung kann ein Schritt 4608 durchgeführt werden, um andere Aspekte der erwarteten Abtastungsqualität auszuwerten. Ein solcher Qualitätsfaktor liegt darin begründet, ob die Auflösung der Abtastung für die Merkmale des Prüfobjekts ausreicht. Wenn die Auflösung einer Vorrichtung beispielsweise 3 mm beträgt und es Merkmale im Submillimeterbereich gibt, für die gültige Abtastungsdaten gewünscht werden, sollten diese Problembereiche des Objekts dann für eine spätere Korrekturmaßnahme aufgezeichnet werden. Ein anderer Qualitätsfaktor, der teilweise mit der Auflösung verwandt ist, ist die Fähigkeit zur Messung von Kanten des Objekts und Kanten von Löchern. Ist die Scannerleistung bekannt, lässt sich ermitteln, ob die Scannerauflösung für bestimmte Kanten gut genug ist. Ein weiterer Qualitätsfaktor ist die erwartete Lichtmenge, die von einem bestimmten Merkmal zurückkehrt. Man kann beispielsweise erwarten, dass wenig Licht (wenn überhaupt) aus dem Innern eines kleinen Lochs oder von einem Glanzwinkel zum Scanner zurückkehrt. Wenig Licht kann man auch von bestimmten Arten und Farben von Materialien erwarten. Bestimmte Materialarten haben eine große Eindringtiefe für das Licht des Scanners, und in diesem Fall würden keine guten Messergebnisse erwartet. In manchen Fällen kann ein automatisches Programm ergänzende Informationen vom Benutzer anfordern. Wenn ein Computerprogramm beispielsweise die Schritte 4604 und 4608 auf Basis von CAD-Daten durchführt, kennt es möglicherweise nicht die benutzte Materialart oder die Oberflächenkennwerte des Prüfobjekts. In diesen Fällen kann der Schritt 4608 einen weiteren Schritt zum Erhalten von Materialkennwerten für das Prüfobjekt umfassen.
Im Anschluss an die Analyse der Schritte 4604 und 4608 besteht der Schritt 4610 darin, zu entscheiden, ob weitere Diagnosemethoden durchgeführt werden sollten. Ein erstes Beispiel für eine mögliche Diagnosemethode ist der Schritt 4612 zum Projizieren eines Streifens in einem bevorzugten Winkel, um festzustellen, ob eine Mehrwegestörung beobachtet wird. Die allgemeinen Anzeigen einer Mehrwegestörung für einen projizierten Linienstreifen wurden oben anhand von 5 besprochen. Ein anderes Beispiel für einen Diagnoseschritt ist der Schritt 4614, der darin besteht, eine Sammlung von in Richtung von Epipolarlinien ausgerichteten Linien auf das Quelllichtmuster zu projizieren, also beispielsweise das Quellmuster des Lichts 30 des Projektors 36 von 1. Für den Fall, in dem Lichtlinien im Quelllichtmuster auf die Epilolarlinien ausgerichtet sind, erscheinen diese Linien dann auch als gerade Linien in der Bildebene auf der photosensitiven Anordnung. Die Verwendung von Epipolarlinien wird detaillierter in der am 11. April 2012 eingereichten US-Patentanmeldung, Aktenzeichen Nr. 13/443,946, des gleichen Inhabers besprochen. Wenn diese Muster auf der photosensitiven Anordnung keine geraden Linien sind oder wenn die Linien unscharf oder verrauscht sind, wird dann ein Problem angezeigt, und zwar eventuell als Ergebnis einer Mehrwegestörung.
Der Schritt 4616 besteht darin, eine Kombination aus bevorzugten Maßnahmen auf Basis der durchgeführten Analysen und der durchgeführten Diagnosemethode auszuwählen. Wenn die Geschwindigkeit bei einer Messung besonders wichtig ist, kann man einen Schritt 4618 zum Messen mit einem (strukturierten) 2D-Muster kodierten Lichts bevorzugen. Wenn eine größere Genauigkeit wichtiger ist, kann man dann einen Schritt 4620 zum Messen mit einem (strukturierten) 2D-Muster kodierten Lichts mittels aufeinanderfolgender Muster, also beispielsweise einer Sequenz von Sinusmustern mit variierender Phase und variierendem Abstand, bevorzugen. Wenn das Verfahren 4618 oder 4620 ausgewählt wird, sollte dann möglicherweise auch ein Schritt 4628 ausgewählt werden, der darin besteht, den Scanner neu zu positionieren, d. h. die Position und Orientierung des Scanners auf die Position einzustellen, die Mehrwegestörungen und gerichtete Reflexionen (Glitzern) minimiert, die durch die Analyse in Schritt 4604 bereitgestellt wurden. Solche Anzeigen können einem Benutzer zur Verfügung gestellt werden, indem Problembereiche mit Licht des Scannerprojektors beleuchtet werden oder solche Bereiche auf einer Monitoranzeige angezeigt werden. Alternativ dazu können die nächsten Schritte im Messverfahren automatisch von einem Computer oder Prozessor ausgewählt werden. Es stehen mehrere Optionen zur Verfügung, wenn die bevorzugte Scannerposition eine Mehrwegestörung und Glitzern nicht eliminiert. Die Messung kann in einigen Fällen wiederholt werden, wobei der Scanner neu positioniert wird und die gültigen Messergebnisse kombiniert werden. In anderen Fällen können alternative Messschritte dem Verfahren hinzugefügt oder statt der Verwendung strukturierten Lichts durchgeführt werden. Wie vorher erörtert wurde, stellt ein Schritt 4622 zum Abtasten eines Lichtstreifens einen zweckmäßigen Weg zum Erhalten von Informationen über einen Bereich zur Verfügung, wobei die Möglichkeit geringer ist, dass ein Problem wegen einer Mehrwegestörung auftritt. Ein Schritt 4624 zum Hin- und Herbewegen eines kleinen Lichtpunkts über einen interessierenden Bereich reduziert außerdem die Möglichkeit von durch eine Mehrwegestörung bedingten Problemen. Ein Schritt zum Messen eines Bereichs einer Objektoberfläche mit einer Tastsonde eliminiert die Möglichkeit einer Mehrwegestörung. Eine Tastsonde stellt eine bekannte Auflösung auf Basis der Größe der Sondenspitze bereit und eliminiert Probleme mit niedrigem Lichtreflexionsgrad und großer optischer Eindringtiefe, die bei einigen Prüfobjekten vorkommen könnten.
In den meisten Fällen kann die Qualität der in einer Kombination der Schritte 4618–4628 erfassten Daten in einem Schritt 4630 auf Basis der aus den Messungen erhaltenen Daten in Kombination mit den Ergebnissen der vorher durchgeführten Analysen ausgewertet werden. Wenn sich in einem Schritt 4632 die Qualität als akzeptabel erweist, wird die Messung in einem Schritt 4634 beendet. Andernfalls wird die Analyse im Schritt 4604 fortgesetzt. Eventuell waren die 3D-Informationen in einigen Fällen nicht so genau wie gewünscht. In diesem Fall könnte eine Wiederholung einiger der früheren Schritte hilfreich sein.
Obwohl die Erfindung ausführlich in Verbindung mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausgestaltungen beschrieben wurde, versteht es sich ohne Weiteres, dass die Erfindung nicht auf solche offenbarte Ausgestaltungen beschränkt ist. Statt dessen kann die Erfindung derart modifiziert werden, dass sie eine beliebige Anzahl von Abweichungen, Änderungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen einbezieht, die bisher nicht beschrieben wurden, aber dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung entsprechen. Obwohl verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben wurden, versteht sich ferner, dass Aspekte der Erfindung nur einige der beschriebenen Ausgestaltungen einschließen können. Die Erfindung ist demgemäß nicht als durch die vorangehende Beschreibung eingeschränkt zu verstehen und ist lediglich durch den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche eingeschränkt.

Claims

Kontaktloses optisches dreidimensionales Messgerät umfassend: eine Baugruppe, die einen Projektor, eine erste Kamera und eine zweite Kamera umfasst, wobei der Projektor, die erste Kamera und die zweite Kamera zueinander feststehend sind, wobei ein erster Abstand zwischen dem Projektor und der ersten Kamera und ein zweiter Abstand zwischen dem Projektor und der zweiten Kamera bestehen, wobei der Projektor eine Lichtquelle aufweist, wobei der Projektor dafür konfiguriert ist, auf eine Oberfläche eines Objekts ein erstes Licht mit irgendeinem einer Vielzahl von Mustern zu emittieren, wobei die erste Kamera eine erste Linse und eine erste photosensitive Anordnung aufweist, wobei die erste Kamera dafür konfiguriert ist, einen ersten Teil des von der Oberfläche reflektierten ersten Lichts aufzufangen und als Reaktion ein erstes digitales Signal zu erzeugen, wobei die erste Kamera ein erstes Sichtfeld aufweist, wobei das erste Sichtfeld ein erster Sichtwinkelbereich der ersten Kamera ist, wobei die zweite Kamera eine zweite Linse und eine zweite photosensitive Anordnung aufweist, wobei die zweite Kamera dafür konfiguriert ist, einen zweiten Teil des von der Oberfläche reflektierten ersten Lichts aufzufangen und als Reaktion ein zweites digitales Signal zu erzeugen, wobei die zweite Kamera ein zweites Sichtfeld aufweist, wobei das zweite Sichtfeld ein zweiter Sichtwinkelbereich der zweiten Kamera ist, wobei das zweite Sichtfeld vom ersten Sichtfeld verschieden ist; und einen elektrisch an den Projektor, die erste Kamera und die zweite Kamera gekoppelten Prozessor, der einen computerausführbaren Programmcode ausführt, der, wenn er durch den Prozessor ausgeführt wird, Rechenvorgänge durchführt, die das Bewirken der Erfassung des ersten digitalen Signals an einem ersten Zeitpunkt und der Erfassung des zweiten digitalen Signals an einem vom ersten Zeitpunkt verschiedenen zweiten Zeitpunkt, das Ermitteln dreidimensionaler Koordinaten eines ersten Punkts auf der Oberfläche basierend zumindest teilweise auf dem ersten digitalen Signal und dem ersten Abstand und das Ermitteln dreidimensionaler Koordinaten eines zweiten Punkts auf der Oberfläche basierend zumindest teilweise auf dem zweiten digitalen Signal und dem zweiten Abstand umfassen.
Kontaktloses optisches dreidimensionales Messgerät nach Anspruch 1, wobei der computerausführbare Programmcode bewirkt, dass der Projektor das erste Licht mit einem ersten Muster aus der Vielzahl von Mustern erzeugt und die erste Kamera als Reaktion das erste digitale Signal erzeugt, und ferner bewirkt, dass der Projektor das erste Licht mit einem zweiten Muster aus der Vielzahl von Mustern erzeugt und die zweite Kamera als Reaktion das zweite digitale Signal erzeugt.
Kontaktloses optisches dreidimensionales Messgerät nach Anspruch 2, wobei das erste Muster ein räumlich variierendes Muster ist.
Kontaktloses optisches dreidimensionales Messgerät nach Anspruch 3, wobei das erste Muster mindestens drei nicht-kollineare Musterelemente umfasst.
Kontaktloses optisches dreidimensionales Messgerät nach Anspruch 4, wobei das zweite Muster ein räumlich variierendes Muster ist, das mindestens drei nicht-kollineare Musterelemente umfasst.
Kontaktloses optisches dreidimensionales Messgerät nach Anspruch 5, wobei das zweite Muster ein Linienmuster ist, wobei die Linie in einer im Wesentlichen senkrecht zur Ausbreitung des ersten Lichts verlaufenden Richtung vorliegt.
Kontaktloses optisches dreidimensionales Messgerät nach Anspruch 6, wobei das zweite Muster ein Linienmuster ist, das im Zeitverlauf hin- und herbewegt wird.
Kontaktloses optisches dreidimensionales Messgerät nach Anspruch 6, wobei das zweite Muster ein Lichtpunkt ist, der im Zeitverlauf hin- und herbewegt wird.
Kontaktloses optisches dreidimensionales Messgerät nach Anspruch 1, wobei das erste Sichtfeld mindestens zweimal so groß wie das zweite Sichtfeld ist.
Kontaktloses optisches dreidimensionales Messgerät nach Anspruch 1, wobei die erste photosensitive Anordnung ein erstes Pixel umfasst, wobei das erste Pixel dafür konfiguriert ist, ein von einem ersten Bereich der Oberfläche reflektiertes Licht zu erfassen, wobei die zweite photosensitive Anordnung ein zweites Pixel umfasst, wobei das zweite Pixel dafür konfiguriert ist, ein von einem zweiten Bereich der Oberfläche reflektiertes Licht zu erfassen, wobei der zweite Bereich kleiner als der erste Bereich ist.
Kontaktloses optisches dreidimensionales Messgerät nach Anspruch 4, wobei das erste Muster ein zeitlich variierendes Muster ist.
Verfahren zur Ermittlung dreidimensionaler Koordinaten auf einer Oberfläche eines Objekts, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen einer Baugruppe, die einen Projektor, eine erste Kamera und eine zweite Kamera umfasst, wobei der Projektor, die erste Kamera und die zweite Kamera zueinander feststehend sind, wobei ein erster Abstand zwischen dem Projektor und der ersten Kamera und ein zweiter Abstand zwischen dem Projektor und der zweiten Kamera bestehen, wobei der Projektor eine Lichtquelle aufweist, wobei der Projektor dafür konfiguriert ist, auf die Oberfläche ein erstes Licht mit irgendeinem einer Vielzahl von Mustern zu emittieren, wobei die erste Kamera eine erste Linse und eine erste photosensitive Anordnung aufweist, wobei die erste Kamera dafür konfiguriert ist, einen ersten Teil des von der Oberfläche reflektierten ersten Lichts aufzufangen, wobei die erste Kamera ein erstes Sichtfeld aufweist, wobei das erste Sichtfeld ein erster Sichtwinkelbereich der ersten Kamera ist, wobei die zweite Kamera eine zweite Linse und eine zweite photosensitive Anordnung aufweist, wobei die zweite Kamera dafür konfiguriert ist, einen zweiten Teil des von der Oberfläche reflektierten ersten Lichts aufzufangen, wobei die zweite Kamera ein zweites Sichtfeld aufweist, wobei das zweite Sichtfeld ein zweiter Sichtwinkelbereich der zweiten Kamera ist, wobei das zweite Sichtfeld vom ersten Sichtfeld verschieden ist; Bereitstellen eines elektrisch an den Projektor, die erste Kamera und die zweite Kamera gekoppelten Prozessors; Emittieren des ersten Lichts mit einem aus der Vielzahl von Mustern ausgewählten ersten Muster in einem ersten Vorgang aus dem Projektor auf die Oberfläche; Aufnehmen eines ersten Bilds der Oberfläche mit der ersten Kamera im ersten Vorgang und als Reaktion Senden eines ersten digitalen Signals an den Prozessor; Ermitteln eines ersten Satzes dreidimensionaler Koordinaten erster Punkte auf der Oberfläche, wobei der erste Satz zumindest teilweise auf dem ersten Muster, dem ersten digitalen Signal und dem ersten Abstand basiert; Durchführen einer Diagnosemethode, die einen Qualitätsfaktor für den ersten Satz ermittelt; Ermitteln eines aus der Vielzahl von Mustern ausgewählten zweiten Musters des ersten Lichts, wobei das zweite Muster zumindest teilweise auf Ergebnissen der Diagnosemethode basiert; Emittieren des ersten Lichts mit dem zweiten Muster in einem zweiten Vorgang aus dem Projektor auf die Oberfläche; Aufnehmen eines zweiten Bilds der Oberfläche mit der zweiten Kamera im zweiten Vorgang und als Reaktion Senden eines zweiten digitalen Signals an den Prozessor; und Ermitteln eines zweiten Satzes dreidimensionaler Koordinaten zweiter Punkte auf der Oberfläche, wobei der zweite Satz zumindest teilweise auf dem zweiten Muster, dem zweiten digitalen Signal und dem zweiten Abstand basiert.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt zum Emittieren des ersten Lichts in einem zweiten Vorgang aus dem Projektor einen vorangehenden Schritt zum Bewegen der Baugruppe von einer ersten Position zu einer zweiten Position umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt zum Bewegen der Baugruppe das Anleiten des Bedieners zum Bewegen der Baugruppe zur zweiten Position durch Einschalten von Anzeigeleuchten auf der Baugruppe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt zum Bewegen der Baugruppe das Projizieren eines Lichts auf das Objekt umfasst, um eine Richtung der Bewegung zur zweiten Position anzuzeigen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt zum Bewegen der Baugruppe das Anzeigen eines Teils des abzutastenden Objekts in einer grafischen Darstellung auf einer Anzeigevorrichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt zum Durchführen der Diagnosemethode, die den Qualitätsfaktor für den ersten Satz ermittelt, den Qualitätsfaktor basierend zumindest teilweise auf dem Ermitteln, ob eine Mehrwegestörung vorhanden ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt zum Durchführen der Diagnosemethode, die den Qualitätsfaktor für den ersten Satz ermittelt, Folgendes umfasst: Bereitstellen eines computergestützten Zeichenmodells (CAD-Modells) des Objekts; Überprüfen, auf Basis des CAD-Modells, des Vorhandenseins der Mehrwegestörung durch Feststellen, dass Lichtstrahlen des Projektors von einem ersten Oberflächenpunkt des Objekts auf einen zweiten Oberflächenpunkt des Objekts reflektiert werden, wobei der zweite Oberflächenpunkt ein von der ersten Kamera bildlich erfasster Punkt ist; und Ermitteln des Qualitätsfaktors basierend zumindest teilweise auf der Überprüfung des Vorhandenseins einer Mehrwegestörung.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei in dem Schritt zum Emittieren des ersten Lichts in einem zweiten Vorgang aus dem Projektor auf die Oberfläche das erste Licht mit dem zweiten Muster in Form einer Linie oder eines Punkts vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei in dem Schritt zum Emittieren des ersten Lichts im zweiten Vorgang das Muster des ersten Lichts in Form einer Linie, die im Zeitverlauf hin- und herbewegt wird, oder eines Punkts, der im Zeitverlauf hin- und herbewegt wird, vorliegt, wobei die Lichtlinie entlang einer im Wesentlichen senkrecht zu einer Richtung der Ausbreitung des ersten Lichts verlaufenden Richtung vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 17: ferner umfassend einen Schritt zum Erhalten einer Vielzahl dreidimensionaler Koordinaten der Oberfläche des Objekts durch Abtasten zumindest eines Abschnitts der Oberfläche; in dem Schritt zum Ermitteln, ob zusätzliche Messungen erforderlich sind, ferner umfassend das Überprüfen, basierend auf der erhaltenen Vielzahl dreidimensionaler Koordinaten, der Wahrscheinlichkeit einer Mehrwegestörung durch Feststellen, dass Lichtstrahlen des Projektors von einem ersten Oberflächenpunkt des Objekts auf einen zweiten Oberflächenpunkt des Objekts reflektiert werden, wobei der zweite Oberflächenpunkt ein von der ersten Kamera bildlich erfasster Punkt ist, und das Ermitteln des Qualitätsfaktors basierend zumindest teilweise auf dem Vorhandensein einer Mehrwegestörung.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei in dem Schritt zum Emittieren des ersten Lichts in einem zweiten Vorgang das räumlich variierende Muster des ersten Lichts in Form einer Linie oder eines Punkts vorliegt, wobei die Linie entlang einer im Wesentlichen senkrecht zu einer Richtung der Ausbreitung des ersten Lichts verlaufenden Richtung vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei in dem Schritt zum Emittieren des ersten Lichts mit dem zweiten Muster in einem zweiten Vorgang aus dem Projektor auf die Oberfläche das zweite Muster in Form der Linie, die im Zeitverlauf hin- und herbewegt wird, oder des Punkts, der im Zeitverlauf hin- und herbewegt wird, vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei in dem Schritt zum Durchführen einer Diagnosemethode, die einen Qualitätsfaktor für den ersten Satz ermittelt, Folgendes umfasst ist: Ermitteln einer Auflösung des aus dem ersten Bild erhaltenen ersten Satzes dreidimensionaler Koordinaten; und Ermitteln des Qualitätsfaktors ferner basierend zumindest teilweise auf der Auflösung.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das zweite Muster ein zeitlich variierendes Muster ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt zum Ermitteln, ob eine Mehrwegestörung vorhanden ist, das Feststellen, dass diese Mehrwegestörung vorhanden ist, umfasst.