Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur sequentiellen Musterprojektion für die optische Vermessung eines beweglichen oder unbeweglichen Messobjektes.The invention relates to a device and a method for sequential pattern projection for the optical measurement of a movable or immovable object to be measured.
Es sind herkömmliche Verfahren zur optischen Vermessung von Messobjekten mittels Triangulation bekannt. Dabei können dreidimensionale Objekte mittels Messmustern vermessen werden, die auf das zu vermessende Messobjekt sequentiell projiziert werden. Das auf eine Objektoberfläche des zu vermessenden Messobjektes projizierte Messmuster wird dabei mittels einer oder mehrerer Kameras zur Vermessung der Oberfläche aufgenommen. Die Anzahl der auf die Oberfläche des zu vermessenden Objektes projizierten Messmuster kann in der Regel variiert werden, wobei im Allgemeinen die erreichte Messgenauigkeit mit der Anzahl bzw. Rate der projizierten Messmuster ansteigt. Bei herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen werden verschiedene Arten von Lichtmodulatoren eingesetzt.Conventional methods for optical measurement of measuring objects by means of triangulation are known. In this case, three-dimensional objects can be measured by means of measurement patterns which are sequentially projected onto the measurement object to be measured. The measurement pattern projected onto an object surface of the measurement object to be measured is recorded by means of one or more cameras for measuring the surface. The number of measurement patterns projected onto the surface of the object to be measured can generally be varied, and in general the achieved measurement accuracy increases with the number or rate of the projected measurement patterns. Conventional methods and devices use various types of light modulators.
Die EP 0 660 078 B1 beschreibt beispielsweise eine Vorrichtung zur Erzeugung streifenartiger Lichtmuster. Bei dieser herkömmlichen Vorrichtung wird als Lichtmodulator eine aus Teilflächen zusammensetzbare Maske eingesetzt, wobei die Transparenz oder die Helligkeit der Teilflächen steuerbar ist. Diese Teilflächen können als Elektroden einer Flüssigkristallanzeige oder als Leuchtdioden ausgebildet werden. Da alle diese Teilflächen der Maske separat anzusteuern sind, ist der technische Aufwand bei dieser herkömmlichen Vorrichtung zur Erzeugung eines Messmusters sehr hoch.The EP 0 660 078 B1 describes, for example, a device for generating strip-like light patterns. In this conventional device, a mask composed of partial surfaces is used as the light modulator, wherein the transparency or the brightness of the partial surfaces can be controlled. These sub-areas can be formed as electrodes of a liquid crystal display or as light-emitting diodes. Since all of these partial surfaces of the mask are to be controlled separately, the technical complexity in this conventional device for generating a measurement pattern is very high.
In der US 6,885,464 B1 ist eine 3D-Kamera zur Auszeichnung einer Oberflächenstruktur beispielsweise bei Zähnen beschrieben. Bei dieser Vorrichtung ist ein analoger Lichtmodulator mittels eines Piezoaktuators lateral verschiebbar. Der Nachteil bei dieser herkömmlichen Vorrichtung besteht darin, dass nach einem Messmusterwechsel das gesamte Messmuster örtlich verschoben wird und ortfeste Signalanteile nicht realisiert werden können. Derartige ortsfeste Signalanteile eines Messmusters können jedoch als Referenzmarkierungen bzw. Referenzmarken notwendig sein. Diese herkömmliche Vorrichtung mit einem elektromechanisch verschiebbaren analogen Lichtmodulator erlaubt somit nicht die Bereitstellung von Referenzmarkierungen.In the US Pat. No. 6,885,464 B1 is a 3D camera for marking a surface structure, for example, described in teeth. In this device, an analog light modulator is laterally displaceable by means of a piezo actuator. The disadvantage with this conventional device is that after a change of measurement pattern, the entire measurement pattern is displaced locally and stationary signal components can not be realized. However, such fixed signal components of a measuring pattern may be necessary as reference markings or reference marks. This conventional device with an electromechanically displaceable analog light modulator thus does not allow the provision of reference marks.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur sequentiellen Musterprojektion für die optische Vermessung eines Messobjektes zu schaffen, das bei geringem technischem Aufwand das Bereitstellen eines ortsfesten Signalanteils innerhalb eines Messmusters erlaubt.It is therefore an object of the present invention to provide a method and a device for sequential pattern projection for the optical measurement of a measurement object, which allows the provision of a stationary signal component within a measurement pattern with little technical effort.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.This object is achieved by a device having the features specified in claim 1.
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur sequentiellen Musterprojektion für die optische Vermessung eines Messobjektes, wobei ein rotierender, analoger Lichtmodulator vorgesehen ist, der Licht räumlich und zeitlich moduliert als Messmustersequenz auf das zu vermessende Messobjekt projiziert.The invention provides a device for sequential pattern projection for the optical measurement of a measurement object, wherein a rotating, analog light modulator is provided which spatially and temporally modulates light as a measurement pattern sequence projected onto the measurement object to be measured.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet somit einen rotierenden, analogen Lichtmodulator, wobei es sich beispielsweise um eine rotierende analoge Lichtmaske handelt, die als rotierende Lichtmaskenscheibe oder als rotierender Lichtmaskenzylinder ausgebildet sein kann.The device according to the invention thus uses a rotating, analogue light modulator, which is, for example, a rotating analogue light mask, which can be designed as a rotating light mask disk or as a rotating light mask cylinder.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die Projektion von einer aus mehreren Messmustern bestehenden Messmustersequenz in einer besonders schnellen Abfolge, das heißt mit hoher Projektionsgeschwindigkeit. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn es sich bei dem zu vermessenden Messobjekt um ein bewegliches Messobjekt handelt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt einen schnellen Musterwechsel, wobei die Bild- bzw. Musterwechselfrequenz bei über 500 Mustern pro Sekunde liegen kann.The device according to the invention allows the projection of a measurement pattern sequence consisting of several measurement patterns in a particularly fast sequence, that is to say with a high projection speed. This is particularly important if the measurement object to be measured is a moving measurement object. The device according to the invention allows a rapid pattern change, wherein the image or pattern change frequency can be more than 500 patterns per second.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass durch Rotation des analogen Lichtmodulators eine intrinsische Kühlung erfolgt, so dass sich die Vorrichtung auch für eine Beleuchtung mit hoher Lichtleistung eignet.Another advantage of the device according to the invention is that an intrinsic cooling takes place by rotation of the analog light modulator, so that the device is also suitable for illumination with high light output.
Gegenüber einer herkömmlichen digitalen Projektion eines Messmusters hat die erfindungsgemäße Vorrichtung aufgrund der Verwendung eines analogen Lichtmodulators den Vorteil, dass sie einen höheren Kontrast, eine höhere Auflösung und eine höhere Projektionsgeschwindigkeit bietet. Zudem ist sie sehr gut miniaturisierbar, d. h. auf kleinem Bauraum zu realisieren.Compared to a conventional digital projection of a measuring pattern, the device according to the invention has the advantage, due to the use of an analog light modulator, that it offers a higher contrast, a higher resolution and a higher projection speed. In addition, it is very well miniaturized, d. H. to realize in a small space.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass der Aufwand zur Herstellung des verwendeten analogen Lichtmodulators relativ gering ist.A further advantage of the device according to the invention is that the expense for producing the analog light modulator used is relatively low.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Komplexität und der minimale Bauraum der Ansteuerungselektronik gering sind.Another advantage of the device according to the invention is that the complexity and the minimum installation space of the control electronics are low.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der rotierende analoge Lichtmodulator eine rotierende, analoge Lichtmaske auf, die durch eine rotierende Lichtmaskenscheibe oder durch einen rotierenden Lichtmaskenzylinder gebildet ist.In one embodiment of the device according to the invention, the rotating analog light modulator has a rotating, analog light mask, which is rotated by a rotating light mask A light mask disk or by a rotating light mask cylinder is formed.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Licht durch eine Beleuchtungseinheit erzeugt, die eine Lichtquelle aufweist, bei der es sich um eine LED, eine Lichtbogenlampe, eine Glühlampe oder um einen Laser handelt.In one embodiment of the device according to the invention, the light is generated by a lighting unit which has a light source, which is an LED, an arc lamp, an incandescent lamp or a laser.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit punktförmige Lichtquellen, insbesondere Laser, als auch flächige Lichtquellen zur Erzeugung des Lichtes aufweisen.The device according to the invention can thus have punctiform light sources, in particular lasers, as well as flat light sources for generating the light.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung rotiert die rotierende Lichtmaskenscheibe zwischen der Beleuchtungseinheit und einer Projektionsoptik. Die Projektionsoptik kann entfallen, wenn es sich bei der Lichtquelle um eine punktförmige Lichtquelle, beispielsweise eine Laserlichtquelle handelt. Bei dieser Ausführungsform kann eine so genannte Schattenprojektion erfolgen.In one embodiment of the device according to the invention, the rotating light mask disc rotates between the illumination unit and a projection optics. The projection optics can be dispensed with if the light source is a punctiform light source, for example a laser light source. In this embodiment, a so-called shadow projection can take place.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht die rotierende Lichtmaskenscheibe aus einer maskierten Glasscheibe.In one possible embodiment of the device according to the invention, the rotating light mask disc consists of a masked glass pane.
Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht die rotierende Lichtmaskenscheibe aus einer maskierten Metallscheibe oder einer maskierten Kunstscheibe.In an alternative embodiment of the device according to the invention, the rotating light mask disk consists of a masked metal disk or a masked art disk.
Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der rotierende, analoge Lichtmodulator eine rotierende, analoge Lichtmaske, welche aus einem rotierenden Lichtmaskenzylinder besteht. Dieser rotierende Lichtmaskenzylinder weist vorzugsweise eine Umfangsfläche auf, die das von der Beleuchtungseinheit generierte bzw. erzeugte Licht zu einer Projektionsoptik moduliert. Dabei wird das generierte Licht vorzugsweise von dem rotierenden Lichtmaskenzylinder reflektiert.In an alternative embodiment of the device according to the invention, the rotating, analog light modulator is a rotating, analog light mask, which consists of a rotating light mask cylinder. This rotating light mask cylinder preferably has a peripheral surface which modulates the light generated or generated by the illumination unit to a projection optics. In this case, the generated light is preferably reflected by the rotating light mask cylinder.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die rotierende Lichtmaske mehrere Messmustersegmente entsprechend der Anzahl der Messmuster der projizierten Messmustersequenz auf.In one possible embodiment of the device according to the invention, the rotating light mask has a plurality of measurement pattern segments corresponding to the number of measurement patterns of the projected measurement pattern sequence.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Messmustersegmente der rotierenden, analogen Lichtmaske derart ausgestaltet, dass sie das Licht graduell modulieren.In one possible embodiment of the device according to the invention, the measurement pattern segments of the rotating analog light mask are designed such that they modulate the light gradually.
Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Messmustersegmente der rotierenden, analogen Lichtmaske derart ausgestaltet, dass sie das Licht binär modulieren.In an alternative embodiment of the device according to the invention, the measurement pattern segments of the rotating, analogue light mask are designed such that they modulate the light in a binary manner.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die Messmustersegmente der rotierenden, analogen Lichtmaske Flächen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften zur Modulation des Lichtes auf.In one embodiment of the device according to the invention, the measurement pattern segments of the rotating, analogue light mask have surfaces with different optical properties for modulating the light.
Bei diesen optischen Eigenschaften kann es sich um eine Transmissivität, eine Reflektivität und eine Absorption der jeweiligen Fläche handeln.These optical properties can be a transmissivity, a reflectivity and an absorption of the respective surface.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt durch Integration von Licht während der Rotation der rotierenden, analogen Lichtmaske eine graduelle Modulation der Lichtintensität des Lichtes.In one embodiment of the device according to the invention, integration of light during the rotation of the rotating, analogue light mask results in a gradual modulation of the light intensity of the light.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zur graduellen Modulation des Lichtes durch ein Messmustersegment, das sich auf der rotierenden, analogen Lichtmaskenscheibe entlang einem an einer radialen Position vorgesehenen Kreisbogen der Lichtmaskenscheibe befindet, das Verhältnis der Lichtintensität (I) des modulierten Lichtes zu einer maximalen Lichtintensität (Imax) des Lichtes proportional zu dem Verhältnis einer optisch aktiven Kreisbogenstrecke (SA) zu einer maximalen Kreisbogenstrecke (Smax) des jeweiligen Messmustersegmentes.In one embodiment of the device according to the invention, for gradual modulation of the light through a measurement pattern segment located on the rotating, analogous light mask disk along a circular arc of the light mask disk provided at a radial position, the ratio of the light intensity (I) of the modulated light to a maximum light intensity (I max ) of the light proportional to the ratio of an optically active circular arc distance (S A ) to a maximum arc gap (S max ) of the respective Meßmustersegmentes.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zur graduellen Modulation des Lichtes bei einem Messmustersegment, das sich auf dem rotierenden, analogen Lichtmaskenzylinder entlang einer axialen Position vorgesehenen Zylinderbogen des Lichtmaskenzylinders befindet, das Verhältnis der Lichtintensität (I) des modulierten Lichtes zu einer maximalen Lichtintensität (Im) des Lichtes proportional zu dem Verhältnis einer optisch aktiven Zylinderbogenstrecke (SA) zu einer maximalen Zylinderbogenstrecke (Smax) des jeweiligen Messmustersegmentes.In one embodiment of the device according to the invention, for the gradual modulation of the light in a measurement pattern segment located on the rotating, analog light mask cylinder along an axial position cylinder arc of the light mask cylinder, the ratio of the light intensity (I) of the modulated light to a maximum light intensity (Im ) of the light proportional to the ratio of an optically active cylinder arc length (S A ) to a maximum cylinder arc length (S max ) of the respective measurement pattern segment.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mindestens eine Kamera vorgesehen, welche die auf das Messobjekt projizierte Messmustersequenz aufnimmt.In one embodiment of the device according to the invention, at least one camera is provided, which records the measurement pattern sequence projected onto the measurement object.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Messmustersegmente der rotierenden, analogen Lichtmaske derart ausgelegt, dass über eine Belichtungsperiode der Kamera eine zeitlich veränderte Modulation der Lichtintensität hervorgerufen wird, die in zeitlich integrierter Form dem zu projizierenden Messmuster der Messmustersequenz entspricht. In one embodiment of the device according to the invention, the measurement pattern segments of the rotating, analogue light mask are designed in such a way that over a period of exposure of the camera, a temporally modified modulation of the light intensity is produced, which corresponds in time-integrated form to the measurement pattern of the measurement pattern sequence to be projected.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Synchronisationseinheit vorgesehen, die eine Rotation des Lichtmodulators mit der Aufnahme der projizierten Messmustersequenz durch die Kamera synchronisiert.In one embodiment of the device according to the invention, a synchronization unit is provided which synchronizes a rotation of the light modulator with the recording of the projected measurement pattern sequence by the camera.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung tastet die Synchronisationseinheit optische Synchronisationsmarken, die auf dem rotierenden Lichtmodulator angebracht sind, mittels einer Abtasteinheit ab.In one embodiment of the device according to the invention, the synchronization unit scans optical synchronization marks, which are mounted on the rotating light modulator, by means of a scanning unit.
Diese Abtasteinheit weist vorzugsweise eine Reflexlichtschranke, eine Gabellichtschranke oder mindestens eine Fotozelle auf.This scanning unit preferably has a reflex light barrier, a fork light barrier or at least one photocell.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der rotierende, analoge Lichtmodulator eine Zentriermarke, mehrere optische Synchronisationsmarken, mehrere optische Messmustersegmente und Übergangsbereiche zwischen den optischen Messmustersegmenten auf, wobei in den Übergangsbereichen das Licht nicht moduliert wird.In one embodiment of the device according to the invention, the rotating, analog light modulator has a centering mark, a plurality of optical synchronization marks, a plurality of optical measurement pattern segments and transition regions between the optical measurement pattern segments, wherein the light is not modulated in the transition regions.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Erfassungseinheit vorgesehen, welche eine Winkelstellung des rotierenden, analogen Lichtmodulators erfasst.In one embodiment of the device according to the invention, a detection unit is provided which detects an angular position of the rotating, analog light modulator.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfasst die Erfassungseinheit die Winkelstellung des rotierenden, analogen Lichtmodulators mittels einer Spur, die sich auf dem Lichtmodulator zur Kodierung der Winkelstellung des rotierenden, analogen Lichtmodulators befindet.In one embodiment of the device according to the invention, the detection unit detects the angular position of the rotating, analog light modulator by means of a track, which is located on the light modulator for encoding the angular position of the rotating analog light modulator.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfasst die Erfassungseinheit die Winkelstellung des rotierenden, analogen Lichtmodulators mittels eines inkrementellen Encoders oder mittels Hall-Sensoren.In one embodiment of the device according to the invention, the detection unit detects the angular position of the rotating analog light modulator by means of an incremental encoder or by means of Hall sensors.
Bei einer möglichen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der rotierende, analoge Lichtmodulator eine weitere Spur zur Synchronisation mit Belichtungsperioden einer zugehörigen Kamera auf.In one possible embodiment of the device according to the invention, the rotating, analog light modulator has a further track for synchronization with exposure periods of an associated camera.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Durchführen einer sequentiellen Musterproduktion für die optische Vermessung eines Messobjektes,
wobei mittels eines rotierenden, analogen Lichtmodulators Licht räumlich und zeitlich moduliert als Messmustersequenz auf das zu vermessende Messobjekt projiziert wird.The invention further provides a method for performing a sequential pattern production for the optical measurement of a measurement object,
wherein light is spatially and temporally modulated by means of a rotating, analog light modulator as a measurement pattern sequence is projected onto the measurement object to be measured.
Die Erfindung schafft ferner ein Messgerät zur dreidimensionalen Vermessung eines Messobjektes, das eine Vorrichtung zur sequentiellen Musterprojektion für die optische Vermessung des Messobjektes aufweist,
wobei in der Vorrichtung mindestens ein rotierender, analoger Lichtmodulator vorgesehen ist, der eine elektromagnetische Strahlung räumlich und zeitlich moduliert als Messmustersequenz auf das zu vermessende Messobjekt projiziert.The invention further provides a measuring device for the three-dimensional measurement of a measurement object which has a device for sequential pattern projection for the optical measurement of the measurement object,
wherein in the device at least one rotating, analog light modulator is provided which spatially and temporally modulates an electromagnetic radiation as a measurement pattern sequence projected onto the measurement object to be measured.
Dieses Messgerät kann zum Vermessen eines beweglichen Messobjektes oder eines unbeweglichen Messobjektes verwendet werden.This measuring device can be used to measure a moving object or a fixed object to be measured.
Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur sequentiellen Musterprojektion für die optische Vermessung eines Messobjektes unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.In the following, possible embodiments of the device according to the invention and the method according to the invention for the sequential pattern projection for the optical measurement of a measurement object will be described with reference to the attached figures.
Es zeigen:Show it:
1 ein Blockschaltbild einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur sequentiellen Musterprojektion; 1 a block diagram of a possible embodiment of the inventive device for sequential pattern projection;
2A, 2B mögliche Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur sequentiellen Musterprojektion; 2A . 2 B possible embodiments of the sequential pattern projection apparatus according to the invention;
3A, 3B Beispiele für Messmustersequenzen eines Lichtmodulators zur graduellen und binären Modulation von Licht; 3A . 3B Examples of measurement pattern sequences of a light modulator for the gradual and binary modulation of light;
4 ein Ausführungsbeispiel einer bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung einsetzbaren Lichtmaskenscheibe zur binären Modulation von Licht; 4 an embodiment of a usable in the inventive device light mask disk for the binary modulation of light;
5 ein Ausführungsbeispiel einer bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung einsetzbaren Lichtmaskenscheibe zur graduellen Modulation von Licht; 5 an embodiment of a usable in the inventive device light mask disk for the gradual modulation of light;
6 ein Diagramm zur Darstellung einer abgewickelten Umfangsfläche eines bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung einsetzbaren Lichtmaskenzylinders; 6 a diagram illustrating a developed peripheral surface of a usable in the inventive device, the light mask cylinder;
7 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Funktionsweise einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 7 a diagram illustrating the operation of a possible embodiment of the device according to the invention.
Wie man aus 1 erkennen kann, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur sequentiellen Musterprojektion für die optische Vermessung eines Messobjektes 2 vorzugsweise eine Beleuchtungseinheit 3 auf, die Licht generiert bzw. erzeugt. Bei der Beleuchtungseinheit 3 kann es sich um eine punktförmige Lichtquelle, beispielsweise einem Laser oder um eine flächige Lichtquelle, handeln. Die Beleuchtungseinheit 3 kann beispielsweise LEDs, eine Lichtbogenlampe oder eine Glühlampe aufweisen. Die Beleuchtungseinheit 3 generiert vorzugsweise sichtbares Licht. Die Beleuchtungseinheit 3 kann auch Licht in nicht sichtbaren Frequenzbereichen generieren. Die Vorrichtung 1 enthält ferner einen Lichtmodulator 4, der das generierte Licht bzw. die elektromagnetischen Strahlen räumlich und zeitlich moduliert über eine Projektionsoptik 5 auf das zu vermessende Messobjekt 2 projiziert. Handelt es sich bei der Lichtquelle der Beleuchtungseinheit 3 um eine punktförmige Lichtquelle, kann die Projektionsoptik 5 entfallen und es liegt eine so genannte Schattenprojektion vor. Der Lichtmodulator 4 ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ein analoger Lichtmodulator bzw. ein analog aufgebauter Lichtmodulator. Dieser Lichtmodulator 4 rotiert um eine Rotationsachse. Die Rotation des Lichtmodulators 4 erfolgt vorzugsweise kontinuierlich mit einer konstanten einstellbaren Rotationsgeschwindigkeit. Dabei wird der Lichtmodulator 4 vorzugsweise durch einen Elektromotor angetrieben. Dieser Elektromotor ist vorzugsweise durch eine Steuereinheit ansteuerbar, so dass die Rotationsgeschwindigkeit einstellbar ist. Die Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden, analogen Lichtmodulators 4 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist relativ hoch und kann bei einer möglichen Ausführungsform beispielsweise 5000 U/min betragen. Aufgrund dieser hohen Rotationsgeschwindigkeit eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung 1, wie sie in 1 dargestellt ist, auch zur Vermessung von beweglichen Messobjekten 2, beispielsweise der Vermessung einer Hand einer Person oder der Vermessung einer Gesichtsmimik eines Gesichtes einer Person. Alternativ kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 auch zur Vermessung eines nicht beweglichen Messobjektes 2, beispielsweise eines herzustellenden Produktes bzw. Prototypen, eingesetzt werden.How to get out 1 can recognize, the device of the invention 1 for the sequential pattern projection for the optical measurement of a measurement object 2 preferably a lighting unit 3 on, which generates or generates light. At the lighting unit 3 it can be a punctiform light source, for example a laser or a planar light source. The lighting unit 3 For example, LEDs, a Arc lamp or have a light bulb. The lighting unit 3 preferably generates visible light. The lighting unit 3 can also generate light in non-visible frequency ranges. The device 1 also contains a light modulator 4 , which spatially and temporally modulates the generated light or the electromagnetic radiation via a projection optics 5 on the measuring object to be measured 2 projected. Is it the light source of the lighting unit 3 around a point light source, the projection optics can 5 omitted and there is a so-called shadow projection. The light modulator 4 is in the device according to the invention 1 an analog light modulator or an analog light modulator. This light modulator 4 rotates about a rotation axis. The rotation of the light modulator 4 is preferably carried out continuously with a constant adjustable rotational speed. This is the light modulator 4 preferably driven by an electric motor. This electric motor is preferably controlled by a control unit, so that the rotational speed is adjustable. The rotational speed of the rotating, analog light modulator 4 the device according to the invention 1 is relatively high and in one possible embodiment may for example be 5000 rpm. Due to this high rotational speed, the device according to the invention is suitable 1 as they are in 1 is shown, also for measuring moving DUTs 2 for example, measuring a person's hand or measuring facial expression of a person's face. Alternatively, the device according to the invention 1 also for measuring a non-moving measurement object 2 , For example, a product to be produced or prototypes are used.
2A zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Projektion der Messmustersequenz mit Hilfe einer rotierenden analogen Lichtmaskenscheibe. Diese rotierende analoge Lichtmaskenscheibe bildet den rotierenden analogen Lichtmodulator 4. Das auf diese Weise gebildete Lichtmuster bzw. die Messmustersequenz wird über die Projektionsoptik 5 auf das zu vermessende Messobjekt 2 projiziert. Wie man in 2 erkennen kann, rotiert die rotierende Lichtmaskenscheibe 4 bei dieser Ausführungsform zwischen der Beleuchtungseinheit 3 und der Projektionsoptik 5. Bei einer möglichen Ausführungsform handelt es sich bei der rotierenden Lichtmaskenscheibe 4 um eine maskierte Glasscheibe. Bei einer alternativen Ausführungsform handelt es sich bei der rotierenden Lichtmaskenscheibe 4 um eine maskierte Metallscheibe. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform handelt es sich bei der rotierenden Lichtmaskenscheibe 4 um eine maskierte Kunststoff- bzw. Plastikscheibe. Die auf dem zu vermessenden Messobjekt 2 projizierten Messmuster der Messmustersequenz werden durch eine Kamera 6 aufgenommen. 2A shows an embodiment of the device according to the invention 1 according to the invention. In this embodiment, the projection of the measurement pattern sequence takes place with the aid of a rotating analog light mask disk. This rotating analog light mask disc forms the rotating analog light modulator 4 , The light pattern or the measurement pattern sequence formed in this way is transmitted via the projection optics 5 on the measuring object to be measured 2 projected. How to get in 2 can detect, the rotating light mask disc rotates 4 in this embodiment, between the lighting unit 3 and the projection optics 5 , In one possible embodiment, the rotating light mask disk is 4 around a masked glass. In an alternative embodiment, the rotating mask is disc 4 around a masked metal disc. In a further possible embodiment, the rotating light mask disk is 4 around a masked plastic or plastic disc. The on the measuring object to be measured 2 Projected measurement patterns of the measurement pattern sequence are processed by a camera 6 added.
2B zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur sequentiellen Musterprojektion für die optische Vermessung eines Messobjektes 2. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die rotierende, analoge Lichtmaske 4 durch einen rotierenden, maskierten Lichtmaskenzylinder gebildet. Der Lichtmaskenzylinder 4 besitzt eine Umfangsfläche, die das von der Beleuchtungseinheit 3 erzeugte Licht für eine Projektionsoptik 5 moduliert bereitstellt, indem sie das auftreffende Licht vorzugsweise reflektiert. 2 B shows a further embodiment of the device according to the invention 1 for the sequential pattern projection for the optical measurement of a measurement object 2 , In this embodiment, the rotating, analog light mask 4 formed by a rotating, masked Lichtmaskenzylinder. The light mask cylinder 4 has a peripheral surface that of the lighting unit 3 generated light for a projection optics 5 modulated by preferably reflecting the incident light.
Bei der in 2A dargestellten Ausführungsform erfolgt die Projektion mittels rotierender Lichtmaske radial, während bei der in 2B dargestellten Ausführungsform die Projektion mittels einer rotierender Lichtmaske axial erfolgt. Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 weist die rotierende Lichtmaske 4 mehrere Messmustersegmente entsprechend der Anzahl der Messmuster der zu projizierenden bzw. projizierten Messmustersequenz auf. Die rotierende Lichtmaske bzw. der rotierende, analoge Lichtmodulator 4 kann eine Anzahl von Mess-Mustersegmenten entsprechend der Anzahl von Mustern der zu projizierenden Mess-Mustersequenz aufweisen. Die optische Modulation bzw. Strukturierung der einzelnen Segmente ist dabei vorzugsweise derart ausgelegt, dass über jeweils eine Belichtungsperiode der Kamera 6 eine zeitlich veränderliche Intensitätsmodulation erfolgt, die in zeitlich integrierter Form dem zu projizierenden Messmuster entspricht. Ein zu projizierendes Messmuster weist infolge der Rotation eine modulierbare Dimension, beispielsweise ein eindimensionales Sinusmuster, auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 stellt somit eindimensional modulierte Messmuster zur Vermessung des Messobjektes 2 bereit. Die Modulation des Lichtes durch die verschiedenen Messmustersegmente des rotierenden, analogen Lichtmodulators 4 kann graduell oder binär erfolgen. Die Messmustersegmente des rotierenden, analogen Lichtmodulators 4 sind derart ausgestaltet, dass sie das Licht bei einer Ausführungsform graduell und bei einer anderen Ausführungsform binär modulieren. Vorteilhafte Herstellungsverfahren für die Lichtmaske bzw. den Lichtmodulator 4, wie beispielsweise eine Chrombeschichtung eines Glassubstrates, lassen teilweise ausschließlich eine binäre optische Modulation zu.At the in 2A In the illustrated embodiment, the projection is carried out by means of a rotating light mask radially, while in the in 2 B illustrated embodiment, the projection by means of a rotating light mask takes place axially. In a possible embodiment of the device according to the invention 1 has the rotating light mask 4 a plurality of measurement pattern segments corresponding to the number of measurement patterns of the measurement pattern sequence to be projected or projected. The rotating light mask or the rotating, analog light modulator 4 may comprise a number of measurement pattern segments corresponding to the number of patterns of the measurement pattern sequence to be projected. The optical modulation or structuring of the individual segments is preferably designed in such a way that over each one exposure period of the camera 6 a time-varying intensity modulation takes place, which corresponds to the measurement pattern to be projected in time-integrated form. As a result of the rotation, a measurement pattern to be projected has a modulatable dimension, for example a one-dimensional sine pattern. The device according to the invention 1 thus provides one-dimensionally modulated measurement patterns for measuring the measurement object 2 ready. The modulation of the light through the different measurement pattern segments of the rotating analog light modulator 4 can be gradual or binary. The measurement pattern segments of the rotating analog light modulator 4 are configured to gradually modulate the light in one embodiment and binary in another embodiment. Advantageous production method for the light mask or the light modulator 4 , such as a chromium coating of a glass substrate, allow partially only a binary optical modulation.
Die Messmustersegmente Mi der rotierenden, analogen Lichtmaske 4 weisen Flächen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften zur Modulation des Lichtes auf. Bei einer möglichen Ausführungsform ist die optische Eigenschaft eine unterschiedliche Transmissivität, das heißt, die Flächen sind entweder transparent oder absorbierend bezüglich des Lichtes. Bei einer alternativen Ausführungsform besteht die optische Eigenschaft in einer unterschiedlichen Reflektivität der unterschiedlichen Flächen, das heißt, die Flächen sind entweder transparent oder reflektierend. In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sind die Flächen unterschiedlich hinsichtlich ihres Absorptionsverhaltens bezüglich des Lichtes, das heißt, sie sind entweder reflektierend oder absorbierend. Der rotierende, analoge Lichtmodulator 4 weist somit aktive und passive Flächen bzw. Teilflächen auf, wobei diese aktiven und passiven Teilflächen unterschiedliche optische Eigenschaften zur Modulation des Lichtes aufweisen.The measurement pattern segments M i of the rotating, analogue light mask 4 have surfaces with different optical properties for modulating the light. In one possible embodiment, the optical property is a different transmissivity, that is, the surfaces are either transparent or absorbent concerning the light. In an alternative embodiment, the optical property is a different reflectivity of the different areas, that is, the areas are either transparent or reflective. In a further embodiment of the device according to the invention 1 the areas are different in their absorption behavior with respect to the light, that is, they are either reflective or absorbing. The rotating, analog light modulator 4 thus has active and passive surfaces or partial surfaces, these active and passive partial surfaces having different optical properties for modulating the light.
Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung besitzt der verwendete analoge Lichtmodulator 4 transparente Teilflächen als aktive Flächen und absorbierende Teilflächen als passive Flächen.In one embodiment of the device, the analog light modulator used has 4 transparent partial surfaces as active surfaces and absorbent partial surfaces as passive surfaces.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 besitzt der eingesetzte analoge Lichtmodulator 4 transparente Teilflächen als aktive Teilflächen und reflektierende Teilflächen als passive Teilflächen.In a further embodiment of the device according to the invention 1 owns the used analog light modulator 4 transparent partial surfaces as active partial surfaces and reflective partial surfaces as passive partial surfaces.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 weist der eingesetzte analoge Lichtmodulator 4 reflektierende Teilflächen als aktive Teilflächen und absorbierende Teilflächen als passive Teilflächen auf.In a further embodiment of the device according to the invention 1 indicates the used analog light modulator 4 reflecting partial surfaces as active partial surfaces and absorbing partial surfaces as passive partial surfaces.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 kann ein binär strukturierter analoger Lichtmodulator 4 auch zur graduellen Modulation des Lichtes genutzt werden. Hierbei wird mittels Integration von Licht während der Rotation des rotierenden, analogen Lichtmodulators 4 eine graduelle Modulation der Lichtintensität I des Lichtes durchgeführt. Beispielsweise wird während der Rotation des Lichtmodulators 4 um einen Segmentwinkel eine graduelle Helligkeitsvariation erzeugt.In a possible embodiment of the device according to the invention 1 can be a binary structured analog light modulator 4 also be used for the gradual modulation of the light. This is done by integrating light during the rotation of the rotating analog light modulator 4 a gradual modulation of the light intensity I of the light performed. For example, during the rotation of the light modulator 4 generates a gradual brightness variation around a segment angle.
Dabei entspricht bei dem in 2A dargestellten Ausführungsbeispiel für eine jeweilige radiale Position entlang eines Kreisumfanges die gewünschte relative Helligkeit bzw. die Intensität I des Lichtes dem Verhältnis der optisch aktiven Strecken eines Kreisbogens zur Gesamtstrecke eines Kreisbogens. Zur graduellen Modulation des Lichtes durch ein Messmustersegment der Lichtmaske 4 entspricht bei einem Messmustersegment Mi, das auf der rotierenden, analogen Lichtmaskenscheibe 4 entlang einem an einer radialen Position r vorgesehenen Kreisbogen vorgesehen ist, das Verhältnis der Lichtintensität I des modulierten Lichtes zu einer maximalen Lichtintensität Imax des Lichtes dem Verhältnis einer optisch aktiven Kreisbogenstrecke SA zu einer maximalen Kreisbogenstrecke Smax des jeweiligen Messmustersegmentes.It corresponds to the in 2A illustrated embodiment for a respective radial position along a circumference, the desired relative brightness and the intensity I of the light the ratio of the optically active distances of a circular arc to the total distance of a circular arc. For gradual modulation of the light through a measurement pattern segment of the light mask 4 corresponds to a measurement pattern segment M i , that on the rotating, analog light mask disk 4 is provided along a provided at a radial position r circular arc, the ratio of the light intensity I of the modulated light to a maximum light intensity I max of the light the ratio of an optically active arc gap S A to a maximum circular arc length S max of the respective measurement pattern segment.
Bei der in 2B dargestellten Ausführungsform entspricht für die jeweilige axiale Position entlang des Zylinderumfanges die gewünschte relative Helligkeit bzw. Intensität I des Lichtes zur graduellen Modulation dem Verhältnis aktiver und passiver Strecken. Bei einem Messmustersegment, das sich auf dem rotierenden, analogen Lichtmaskenzylinder entlang einer an einer axialen Position vorgesehenen Zylinderbogen des Lichtmaskenzylinders 4 befindet, entspricht das Verhältnis der Lichtintensität I des modulierten Lichtes zu einer Maximal-Lichtintensität Imax des Lichtes vorzugsweise dem Verhältnis einer optisch aktiven Zylinderbogenstrecke SA zu einer maximalen Zylinderbogenstrecke Smax des jeweiligen Messmustersegmentes.At the in 2 B For the respective axial position along the circumference of the cylinder, the desired relative brightness or intensity I of the light for gradual modulation corresponds to the ratio of active and passive paths. In a measurement pattern segment, which is located on the rotating, analog light mask cylinder along a cylindrical arc of the light mask cylinder provided at an axial position 4 is, the ratio of the light intensity I of the modulated light to a maximum light intensity I max of the light preferably corresponds to the ratio of an optically active cylinder arc length S A to a maximum cylinder arc length S max of the respective measurement pattern segment.
Die 3A, 3B zeigen Beispiele für verschiedene Messmustersequenzen, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können.The 3A . 3B show examples of different measurement pattern sequences, as they can be used in the inventive method.
Die 3A zeigt eine Messmustersequenz, die aus vier Messmustern M1, M2, M3, M4 besteht. Jedes der in 3A dargestellten Messmuster weist eine räumliche Ausdehnung in x- und y-Richtung auf. Beispielsweise beträgt die Ausdehnung eines Messmustersegmentes Mi in x-Richtung 10 mm. Auch andere Ausdehnungen bzw. Maße sind möglich. Die in 3A dargestellte Messmustersequenz bewirkt eine eindimensionale graduelle Modulation des Lichtes.The 3A shows a measurement pattern sequence consisting of four measurement patterns M1, M2, M3, M4. Each of the in 3A shown measurement pattern has a spatial extent in the x and y directions. For example, the extent of a measurement pattern segment Mi in the x direction is 10 mm. Other dimensions or dimensions are possible. In the 3A shown measurement pattern sequence causes a one-dimensional gradual modulation of the light.
3B zeigt die Transformation der in dargestellten Messmustersequenz in eine binäre Messmustersequenz. Diese weist im Gegensatz zu der graduellen Messmustersequenz der 3A keine Graustufen auf, bietet jedoch trotzdem eine graduelle Modulation aufgrund der Rotation des rotierenden analogen Lichtmodulators 4, auf dem sich die Messmustersegmente Mi befinden. Die für ein Verfahren der strukturierten Beleuchtung zu projizierenden Messmuster sind in der Regel in einem orthogonalen, kartesischen Koordinatensystem verfügbar bzw. auslesbar. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 erfolgt die eindimensionale Modulation des Lichtes durch Messmuster, wie in 2A dargestellt, in radialer oder, wie in 2B dargestellt, in axialer Richtung. Bei der radialen Modulation werden die eingesetzten Messmuster vorzugsweise zunächst in eine entsprechende Form transformiert. Dieser Transformationsprozess entspricht einem ”Wickeln” des Messmusters um einen Mittelpunk der rotierenden Scheibe. 3B shows the transformation of in shown measurement pattern sequence in a binary measurement pattern sequence. This, in contrast to the gradual measurement pattern sequence of 3A no grayscale, but still provides a gradual modulation due to the rotation of the rotating analog light modulator 4 on which the measurement pattern segments M i are located. The measurement patterns to be projected for a method of structured illumination are generally available or readable in an orthogonal Cartesian coordinate system. In the device according to the invention 1 the one-dimensional modulation of the light takes place through measurement patterns, as in 2A shown in radial or, as in 2 B shown, in the axial direction. In the radial modulation, the measurement patterns used are preferably first transformed into a corresponding shape. This transformation process corresponds to a "winding" of the measurement pattern about a center point of the rotating disk.
4 zeigt die Strukturierung einer analogen Lichtmaskenscheibe 4, wie sie bei der Ausführungsform gemäß 2A verwendet werden kann. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Lichtmaskenscheibe 4, wie sie bei der in 2A dargestellten Ausführungsform verwendet werden kann. 4 shows the structuring of an analog light mask disc 4 , as in the embodiment according to 2A can be used. 5 shows a further embodiment of a light mask disk 4 as in the case of 2A illustrated embodiment can be used.
4 stellt eine analoge Lichtmaskenscheibe 4 dar, welche das auftreffende Licht rein binär moduliert, das heißt, die in 4 dargestellte Lichtmaskenscheibe 4 weist keinerlei Graustufen auf und die aktiven Teilflächen sind beispielsweise entweder vollständig opak oder vollständig transparent. Die Lichtmaskenscheibe 4 ist kreisförmig und weist einen bestimmten Durchmesser von beispielsweise etwa 90 mm auf. Die in 4 dargestellte analoge Lichtmaskenscheibe 4 weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier Messmustersegmente 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 auf. Die verschiedenen Messmustersegmente 7-i sind bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel derart ausgestaltet, dass sie das von der Beleuchtungseinheit 3 stammende Licht binär modulieren. In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel entsprechen die schwarzen Flächen absorbierenden Flächen und die weißen Flächen transparenten Flächen. Die Messmustersegmente 7-i sind durch Übergangsbereiche voneinander getrennt, in denen das Licht nicht moduliert wird. Diese Zwischenräume bzw. Übergangsbereiche stellen in mindestens einer Winkelstellung des Lichtmodulators 4 ein modulationsfreies, projiziertes Bild bzw. Muster bereit, um einen störungsfreien Übergang zwischen zwei Messmustern zu gewährleisten. Weiterhin weist die Lichtmaske bzw. der Lichtmodulator 4 Zentriermarken Z zur Zentrierung der Lichtmaske bzw. Lichtmaskenscheibe 4 auf. Weiterhin kann die Lichtmaske 4 Synchronisations-Marken zur Kamerasynchronisation aufweisen. Die Kamera 6 nimmt die Messmustersequenz, welche auf das Messobjekt 2 projiziert wird, auf. Die Mustersegmente 7-i der rotierenden, analogen Lichtmaske 4 sind derart ausgelegt, dass über eine Belichtungsperiode der Kamera 6 eine zeitlich veränderte Modulation der Lichtintensität I hervorgerufen wird, die in zeitlich integrierter Form dem zu projizierenden Messmuster der Messmustersequenz entspricht. Hierzu kann eine Synchronisationseinheit vorgesehen sein, die eine Rotation des Lichtmodulators 4 mit der Aufnahme der projizierten Messmustersequenz durch die Kamera 6 synchronisiert. Diese Kamera-Synchronisationseinheit KS tastet die auf dem rotierenden Lichtmodulator 4 angebrachten optischen Synchronisationsmarken, wie sie in 4 dargestellt sind, vorzugsweise mittels einer Abtasteinheit ab. Diese Abtasteinheit kann eine Reflexlichtschranke, eine Gabellichtschranke oder mindestens eine Photozelle aufweisen. 4 puts an analog light mask disc 4 which modulates the incident light purely binary, that is, the in 4 illustrated light mask disc 4 has no gray levels and the active faces are for example either completely opaque or completely transparent. The light mask disc 4 is circular and has a certain diameter of, for example, about 90 mm. In the 4 illustrated analog light mask disc 4 In the illustrated embodiment, there are four measurement pattern segments 7-1 . 7-2 . 7-3 . 7-4 on. The different measurement pattern segments 7-i are at the in 4 illustrated embodiment configured such that it from the lighting unit 3 modulate originating light binary. In the in 4 In the illustrated embodiment, the black areas correspond to absorbing areas and the white areas correspond to transparent areas. The measurement pattern segments 7-i are separated by transition areas where the light is not modulated. These spaces or transition areas provide in at least one angular position of the light modulator 4 a modulation-free, projected image or pattern ready to ensure a smooth transition between two measurement patterns. Furthermore, the light mask or the light modulator 4 Centering marks Z for centering the light mask or light mask disk 4 on. Furthermore, the light mask 4 Have sync markers for camera sync. The camera 6 takes the measurement pattern sequence which is on the measurement object 2 is projected on. The pattern segments 7-i the rotating, analog light mask 4 are designed so that over an exposure period of the camera 6 a temporally modified modulation of the light intensity I is caused, which corresponds in time integrated form to be projected measurement pattern of the measurement pattern sequence. For this purpose, a synchronization unit can be provided, which is a rotation of the light modulator 4 with the recording of the projected measurement pattern sequence by the camera 6 synchronized. This camera synchronization unit KS scans the on the rotating light modulator 4 attached optical synchronization marks, as in 4 are shown, preferably by means of a scanning unit. This scanning unit may have a reflected light barrier, a fork light barrier or at least one photocell.
Die Lichtmaske 4 kann, wie in 4 dargestellt, optional zusätzlich einen Platzhalter für ein optisches Kalibriermuster zur Kalibrierung eines Projektors aufweisen.The light mask 4 can, as in 4 optionally additionally have a placeholder for an optical calibration pattern for calibrating a projector.
5 zeigt ein Beispiel für eine analoge Lichtmaske 4 entsprechend dem Ausführungsbeispiel in 4, wobei bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel jedoch das auftreffende Licht graduell moduliert wird, das heißt, der Lichtmodulator 4 weist bei der in 5 dargestellte Ausführungsform Graustufen auf. 5 shows an example of an analog light mask 4 in accordance with the embodiment in 4 , in which in 5 illustrated embodiment, however, the incident light is gradually modulated, that is, the light modulator 4 indicates at the in 5 illustrated embodiment on grayscale.
Bei dem in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 eingesetzten optischen Lichtmodulator 4 wird die zu projizierende, eindimensionale Helligkeit bzw. Lichtintensitätsmodulation einer Messmustersequenz durch Transformation bzw. Wicklung eines kartesischen Messmusters in Polarkoordinaten eines rotationssymmetrischen, analogen Lichtmodulators 4 erreicht. Die in einem kartesischen Muster modulierte Richtung bildet eine Hauptrichtung H, wobei die Richtung mit konstanter Lichtintensität als Nebenrichtung N bezeichnet werden kann. In den 3A, 3B ist die Hauptrichtung H und die Nebenrichtung N für die verschiedenen Messmuster Mi dargestellt. Für die auf dem sich rotierenden bzw. drehenden analogen Lichtmodulator 4 befindlichen Messmuster 7-i ist in den 4, 5 ebenfalls die Hauptrichtung H und die Nebenrichtung N dargestellt. Die Hauptrichtung H verläuft in Radialrichtung, während die Nebenrichtung N in Umfangsrichtung verläuft. Die Transformation der kartesischen Messmuster, wie sie in 3A, 3B dargestellt sind, in die Polarkoordinaten der radialen Richtung erfolgt derart, dass entlang der Umfangsrichtung das Verhältnis der zur Modulation des Lichtflusses gewählten optischen Eigenschaften einem relativen Wert der gewünschten Helligkeit bzw. Intensität I zur Modulation entspricht. Eine mittlere Helligkeit bzw. Intensität des modulierten Lichtes wird beispielsweise durch ein gleiches Verhältnis zwischen Transmission und Absorption entlang der Umfangsrichtung erreicht. Eine maximale Intensität Imax bzw. Helligkeit des modulierten Lichtes wird beispielsweise durch eine Linie bzw. Strecke des Messmustersegmentes 7-i erreicht, das in Umfangs- bzw. Tangentialrichtung ausschließlicht transparent bzw. aktiv ist.In the device according to the invention 1 used optical light modulator 4 becomes the one-dimensional brightness or light intensity modulation of a measurement pattern sequence to be projected by transformation or winding of a Cartesian measurement pattern into polar coordinates of a rotationally symmetrical, analog light modulator 4 reached. The direction modulated in a Cartesian pattern forms a principal direction H, where the direction of constant light intensity may be referred to as a secondary direction N. In the 3A . 3B the main direction H and the secondary direction N are shown for the different measurement patterns M i . For those on the rotating or rotating analog light modulator 4 located measurement pattern 7-i is in the 4 . 5 also the main direction H and the secondary direction N shown. The main direction H extends in the radial direction, while the secondary direction N extends in the circumferential direction. The transformation of Cartesian measurement patterns, as in 3A . 3B are shown in the polar coordinates of the radial direction is such that along the circumferential direction, the ratio of the optical properties selected for modulation of the luminous flux corresponds to a relative value of the desired brightness or intensity I to the modulation. An average brightness or intensity of the modulated light is achieved, for example, by an equal ratio between transmission and absorption along the circumferential direction. A maximum intensity I max or brightness of the modulated light is determined, for example, by a line or distance of the measurement pattern segment 7-i achieved, which is transparent or active in the circumferential or tangential direction exclusively.
6 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer abgewickelten Zylinderumfangsfläche eines rotationsfähigen Lichtmaskenzylinders 4, wie er bei der in 2B dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 einsetzbar ist. Wie man in 6 erkennen kann, weist der analoge Lichtmodulator 4 mehrere Mess-Mustersegmente 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 und dazwischen liegende opake Übergangsbereiche auf. Ferner kann eine Spur für eine Zentriermarke Z vorgesehen sein. Weiterhin sind bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel zwei optische Marken zur Kamerasynchronisation vorgesehen. 6 shows a diagram illustrating a developed cylinder circumferential surface of a rotatable Lichtmaskenzylinders 4 as he at the in 2 B illustrated embodiment of the device according to the invention 1 can be used. How to get in 6 can detect, the analog light modulator points 4 several measurement pattern segments 7-1 . 7-2 . 7-3 . 7-4 and intermediate opaque transition areas. Furthermore, a track may be provided for a centering mark Z. Furthermore, in the in 6 illustrated embodiment, two optical brands provided for camera synchronization.
7 zeigt schematisch die Ausgestaltung einer rotierenden Lichtmaskenscheibe 4 zur graduellen Modulation von Licht bei einem binär strukturierten Lichtmodulator. Wie man aus 7 erkennen kann, ist das Verhältnis der gewünschten Soll-Lichtintensität des modulierten Lichtes zu einer maximalen Lichtintensität Imax des Lichtes gleich bzw. proportional zu dem Verhältnis einer optisch aktiven Kreisbogenstrecke SA zu einer maximalen Kreisbogenstrecke Smax des jeweiligen Messmustersegmentes Mi bei einem bestimmten Radius bzw. einer bestimmten radialen Position r des jeweiligen Kreisumfanges wobei K ein Proportionalitätsfaktor ist. Die maximale Kreisbogenstrecke Smax ist die Summe aus der aktiven Kreisbogenstrecke Sa und der passiven Kreisbogenstrecke SP des jeweiligen Messmustersegmentes Mi. Wie man aus 7 erkennen kann, folgt auf eine optisch aktive, beispielsweise transparente, Strecke des jeweiligen Kreismustersegmentes eines passive, beispielsweise opake, Strecke des jeweiligen Kreismustersegmentes. Durch das Streckenlängenverhältnis kann das Licht durch den Lichtmodulator 4 aufgrund seiner Rotation graduell moduliert werden, selbst wenn die verschiedenen Strecken bzw. Streckenabschnitte SA, SP selbst ständig aktiv bzw. ausschließlich transparent und vollständig passiv bzw. ausschließlich opak sind, das heißt nur eine binäre Abstufung und keine graduellen Abstufungen bzw. Grauwerte aufweisen. Daher ist es möglich, auch Lichtmodulatoren 4 für eine graduelle Modulation zu verwenden, die rein binär strukturierte Teil- bzw. Mess-Mustersegmentflächen aufweisen. Diese binären optischen Lichtmodulatoren lassen sich einfacher und mit weniger Aufwand herstellen. 7 schematically shows the configuration of a rotating light mask disk 4 for the gradual modulation of light in a binary structured light modulator. How to get out 7 can recognize, is the ratio of the desired desired light intensity of the modulated light to a maximum light intensity I max of the same or proportional to the ratio of an optically active circular arc length S A to a maximum circular arc length S max of the respective measurement pattern segment M i at a specific radius or a specific radial position r of the respective circumference where K is a proportionality factor. The maximum circular arc distance S max is the sum of the active circular arc distance S a and the passive circular arc distance S P of the respective measurement pattern segment M i . How to get out 7 can recognize, follows an optically active, for example, transparent, distance of the respective circular pattern segment of a passive, such as opaque, distance of the respective circular pattern segment. Due to the track length ratio, the light can pass through the light modulator 4 are gradually modulated due to its rotation, even if the different sections or sections S A , S P themselves are constantly active or exclusively transparent and completely passive or exclusively opaque, that is to say having only a binary gradation and no gradual gradations or gray values , Therefore, it is also possible to use light modulators 4 for a gradual modulation having purely binarized part or measurement pattern segment surfaces. These binary optical light modulators are easier and less expensive to produce.
Bei den in den 4, 5, 6 dargestellten Ausführungsbeispielen weist der rotierende Lichtmodulator 4 vier Lichtmustersegmente 7-i auf. Bei einer alternativen Ausführungsform weisen die Lichtmodulatoren 4 eine andere Anzahl von Messmustersegmenten auf, beispielsweise 8 oder 16 Messmustersegmente.In the in the 4 . 5 . 6 illustrated embodiments, the rotating light modulator 4 four light pattern segments 7-i on. In an alternative embodiment, the light modulators 4 a different number of sample segments, for example 8 or 16 sample segments.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 weist diese eine Erfassungseinheit auf, welche eine Winkelstellung des rotierenden, analogen Lichtmodulators 4 erfasst. Bei einer möglichen Ausführungsform weist hierzu der rotierende, analoge Lichtmodulator 4 eine Spur auf, in der die Winkelstellung des Lichtmodulators 4 codiert ist. Bei einer möglichen Ausführungsform erfolgt die Erfassung der Winkelstellung des rotierenden analogen Lichtmodulators 4 mittels eines inkrementellen Encoders oder mittels Hall-Sensoren. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform weist der rotierende, analoge Lichtmodulator 4 eine weitere Spur zur Synchronisation mit den Belichtungsintervallen bzw. Belichtungsperioden der Kamera 6 auf.In a possible embodiment of the device according to the invention 1 has this a detection unit, which is an angular position of the rotating, analog light modulator 4 detected. In one possible embodiment, this has the rotating, analog light modulator 4 a trace in which the angular position of the light modulator 4 is coded. In one possible embodiment, the detection of the angular position of the rotating analog light modulator takes place 4 by means of an incremental encoder or by means of Hall sensors. In another possible embodiment, the rotating, analog light modulator 4 another track for synchronization with the exposure intervals or exposure periods of the camera 6 on.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist der optische Lichtmodulator 4 austauschbar. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 kann diese relativ zu dem auszumessenden Messobjekt 2 zusammen mit der Kamera 6 bewegt werden, um Bilder bzw. Projektionen aus verschiedenen Blickwinkeln von dem Messobjekt 2 generieren zu können. Beispielsweise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 um das zu vermessende Messobjekt 2 herum bewegt, um es von allen Seiten zu vermessen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 projiziert mindestens eine Messmustersequenz auf das zu vermessende Messobjekt 2. Aus den durch die Kamera 6 aufgenommenen Messmustersequenzen wird bei einer bevorzugten Ausführungsform automatisch ein dreidimensionales Datenmodell des Messobjektes 2 generiert. Bei einer möglichen Ausführungsform wird in Abhängigkeit von dem generierten dreidimensionalen Datenmodell des Messobjektes 2 eine Kopie des vermessenen Messobjektes 2 durch eine Fertigungseinrichtung hergestellt. Bei dem Messobjekt 2 kann es sich beispielsweise um einen Prototypen eines herzustellenden Produktes handeln. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Messobjekt 2 ein statisches Messobjekt.In a preferred embodiment of the device according to the invention 1 is the optical light modulator 4 interchangeable. In a further possible embodiment of the device according to the invention 1 this can be relative to the measured object to be measured 2 together with the camera 6 be moved to images or projections from different angles of the measurement object 2 to be able to generate. For example, the device according to the invention 1 around the measuring object to be measured 2 moved around to measure it from all sides. The device according to the invention 1 projects at least one measurement pattern sequence onto the measurement object to be measured 2 , Out of the camera 6 recorded measurement pattern sequences is in a preferred embodiment automatically a three-dimensional data model of the measurement object 2 generated. In one possible embodiment, depending on the generated three-dimensional data model of the measurement object 2 a copy of the measured object measured 2 produced by a manufacturing facility. At the measuring object 2 it may, for example, be a prototype of a product to be manufactured. In this embodiment, the measurement object is 2 a static measurement object.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eignet sich auch zur Vermessung von beweglichen Messobjekten. Beispielsweise kann mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 eine Musterprojektion auf eine bewegliche Hand einer Person erfolgen und die Hand mittels einer Kamera 6 aufgenommen werden. Weiterhin kann mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 eine Musterprojektion auf ein Gesicht einer Person erfolgen, um ein 3D-Datenmodell des Gesichtes zu generieren. Da sich die Handstellung bzw. die Gesichtsmimik einer Person relativ schnell verändern kann, erfolgt bei einer bevorzugten Ausführungsvorrichtung die sequentielle Musterprojektion mit einer hohen Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden, analogen Lichtmodulators 4. Auf diese Weise kann die Kamera 6 das projizierte Lichtmuster innerhalb eines kurzen Zeitraums aufnehmen, innerhalb dessen die Hand bzw. das Gesicht weniger bewegt werden, als dies bei einem längeren Aufnahmezeitraum der Fall wäre. Die hohe Rotationsgeschwindigkeit des analogen Lichtmodulators 4 erhöht somit die Genauigkeit der Vermessung des Messobjektes 2, insbesondere bei einem beweglichen Messobjekt 2. Die verschiedenen dreidimensionalen Datenmodelle bzw. Datensätze eines Messobjektes 2, insbesondere eines beweglichen Messobjektes, können in einer Speichereinheit der Vorrichtung 1 gespeichert bzw. zwischengespeichert werden. Durch Auswertung einer Folge von dreidimensionalen Datenmodellen des beweglichen Messobjektes 2, kann beispielsweise eine Gestik oder ein mit der Hand angezeigter Befehl einer Person ermittelt werden und zu Steuerungszwecken eingesetzt werden.The device according to the invention 1 is also suitable for measuring moving objects. For example, by means of the device according to the invention 1 a pattern projection on a moving hand of a person and the hand done by means of a camera 6 be recorded. Furthermore, by means of the device according to the invention 1 a pattern projection on a person's face to generate a 3D data model of the face. Since a person's hand position or facial expression can change relatively quickly, in a preferred embodiment, the sequential pattern projection takes place at a high rotational speed of the rotating analog light modulator 4 , That way the camera can 6 record the projected light pattern within a short period of time, within which the hand or the face is moved less than would be the case with a longer recording period. The high rotational speed of the analog light modulator 4 thus increases the accuracy of the measurement of the measurement object 2 , in particular with a movable object to be measured 2 , The various three-dimensional data models or data records of a measurement object 2 , in particular a movable measurement object, may be in a memory unit of the device 1 be stored or cached. By evaluating a sequence of three-dimensional data models of the movable measurement object 2 For example, a person's gesture or hand-displayed command may be determined and used for control purposes.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur sequentiellen Musterprojektion für die optische Vermessung eines Messobjekts 2 ist bei einer möglichen Ausführungsform in einem handgeführten, dreidimensionalen Messgerät zur Vermessung eines Messobjektes 2 integriert.The device according to the invention 1 for sequential pattern projection for the optical Measurement of a DUT 2 is in one possible embodiment in a hand-held, three-dimensional measuring device for measuring a measurement object 2 integrated.
Der optische Lichtmodulator 4, der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 eingesetzt wird, kann auf unterschiedliche Weise hergestellt werden. Diese Herstellungsverfahren umfassen Beschichtungs-, Druck-, Ätzungs- und Beklebungsverfahren. Bei einer möglichen Ausführungsform ist der optische Lichtmodulator 4 für verschiedene Anwendungsfälle bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 austauschbar. Bei einer möglichen Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur sequentiellen Musterprojektion nicht nur einen rotierenden analogen Lichtmodulator 4, sondern mehrere rotierende analoge Lichtmodulatoren 4 des gleichen oder unterschiedlichen Typs auf. Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 nehmen mehrere Kameras 6 gleichzeitig ein Bild der projizierten Messmustersequenz auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist vorzugsweise in einem Projektor bzw. in einem Projektorgerät integriert. Dieser Projektor weist vorzugsweise eine Beleuchtungseinheit 3, einen drehbar gelagerten analogen Lichtmodulator 4 sowie einen Elektromotor zum Antrieb des Lichtmodulators 4 auf. Weiterhin enthält das Projektionsgerät vorzugsweise eine Projektionsoptik 5. Das Projektionsgerät kann weitere Einheiten enthalten, insbesondere eine Synchronisationseinheit, die die Rotation des Lichtmodulators 4 mit der Kamera 6 synchronisiert. Weiterhin kann das Projektionsgerät eine Erfassungseinheit aufweisen, welche eine Winkelstellung des rotierenden analogen Lichtmodulators erfasst. Bei dem Projektionsgerät kann es sich um ein stationäres Gerät, aber auch um ein handgeführtes Gerät bzw. einen handgeführtes Messgerät handeln. In dem Projektionsgerät kann auch einen Speicher zum Abspeichern bzw. Zwischenspeichern der generierten 3D-Datenmodelle des vermessenen Messobjektes 2 vorhanden sein, der über ein Interface auslesbar ist. Das Projektionsgerät kann über eine eigene Stromversorgung verfügen. Bei der Kamera 6 handelt es sich um eine Digitalkamera. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eignet sich zum dreidimensionalen Vermessen beliebiger Gegenstände bzw. Objekte beispielsweise auch zur Fahrwerksvermessung bei Automobilen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Drehfrequenz bzw. Umdrehungsgeschwindigkeit des drehbar gelagerten rotierenden, analogen Lichtmodulators 4 in Abhängigkeit von dem Anwendungsfall über eine Nutzerschnittstelle einstellbar.The optical light modulator 4 in the device according to the invention 1 can be produced in different ways. These production methods include coating, printing, etching and pasting methods. In one possible embodiment, the optical light modulator is 4 for various applications in the device according to the invention 1 interchangeable. In a possible embodiment, the device according to the invention 1 for sequential pattern projection, not just a rotating analog light modulator 4 but several rotating analog light modulators 4 of the same or different type. In a possible embodiment of the device according to the invention 1 take several cameras 6 at the same time an image of the projected measurement pattern sequence. The device according to the invention 1 is preferably integrated in a projector or in a projector device. This projector preferably has a lighting unit 3 , a rotatably mounted analog light modulator 4 and an electric motor for driving the light modulator 4 on. Furthermore, the projection device preferably contains a projection optics 5 , The projection device can contain further units, in particular a synchronization unit which controls the rotation of the light modulator 4 with the camera 6 synchronized. Furthermore, the projection device can have a detection unit which detects an angular position of the rotating analog light modulator. The projection device may be a stationary device, but also a hand-held device or a hand-held measuring device. In the projection device can also be a memory for storing or caching the generated 3D data models of the measured measurement object 2 be present, which is readable via an interface. The projection device can have its own power supply. At the camera 6 it is a digital camera. The device according to the invention 1 is suitable for the three-dimensional measurement of any objects or objects, for example, for chassis measurement in automobiles. In a preferred embodiment, the rotational frequency or rotational speed of the rotatably mounted rotating, analog light modulator 4 adjustable as a function of the application via a user interface.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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EP 0660078 B1 [0003] EP 0660078 B1 [0003]
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US 6885464 B1 [0004] US 6885464 B1 [0004]
