DE3938714A1 - Optical determination of object shapes, shape variations - using structured coloured light projected onto objects for high resolution, dynamic measurement - Google Patents

Optical determination of object shapes, shape variations - using structured coloured light projected onto objects for high resolution, dynamic measurement

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Abstract

The method of optically determining the shapes of objects involves detecting and evaluating structured light information from the illuminated object. Structured colour information is used. The measurement object is briefly illuminated with structured coloured light. The coloured structured light is projected by a video projector or a holographic optical element. Several colored patterns differing in colour and/or spatial distribution are projected onto the object simultaneously and/or successively. USE/ADVANTAGE - For measuring the shape, shape variations etc. of objects. Has very high resolution and is suitable for measuring dynamic processes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur meßtechnischen Erfassung der Form, Formänderung und dergleichen von Objekten, wobei strukturierte Lichtinformation des bestrahlten Objekts erfaßt und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß strukturierte Farbin­ formation verwendet wird.The invention relates to a method for measuring measurement the shape, shape change and the like of objects, wherein structured light information of the irradiated object is recorded and is evaluated, characterized in that structured color formation is used.

Zur meßtechnischen Erfassung von Form, Formtreue, Verformung von Objekten werden heute unterschiedliche Verfahren eingesetzt, die auf der Aufbringung bzw. Projektion von strukturiertem Licht auf das Meßobjekt beruhen.For the metrological recording of shape, shape accuracy, deformation of Different processes are used today for objects on the application or projection of structured light the measurement object.

Entsprechende Verfahren sind: Laser-Triangulation, Lichtschnitt­ verfahren, Rasterverfahren, Moire-Techniken.Appropriate processes are: laser triangulation, light section processes, screening processes, moiré techniques.

Ausgewertet wird dabei die räumliche Lage bzw. Lageänderung der von einem Sensorsystem erfaßten Lichtstruktur, wobei die Helligkeits­ verteilung, gezielt ausgewertet wird. Zur Erhöhung der Auflösung werden zeitlich nacheinander Lichtstrukturen mit unterschiedlichen Mustern und/oder Helligkeitsverteilungen verwendet.The spatial position or change in position of the a sensor system detected light structure, the brightness distribution, is evaluated in a targeted manner. To increase the resolution light structures with different Patterns and / or brightness distributions used.

Aus der DE 37 21 749 A1 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem das Objekt mit einem Streifenmuster bestrahlt wird. Für eine Messung erfolgen drei Aufnahmen mit jeweils phasen­ verschobener Projektionsstrahlung. Ein derartiges Verfahren eignet sich jedoch nicht zur Vermessung von dynamischen Vorgängen an Objekten.DE 37 21 749 A1 describes a method of the type mentioned at the beginning known in which the object is irradiated with a stripe pattern becomes. For a measurement, three pictures are taken, each with phases shifted projection radiation. Such a method is suitable However, they are not intended to measure dynamic processes Objects.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, welches über eine möglichst hohe Meßauflösung verfügt, und zur Erfassung dynamischer Vorgänge ge­ eignet ist.The invention has for its object a method of to create the type mentioned above, which has the highest possible Has measurement resolution, and ge to record dynamic processes is suitable.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit dem in Anspruch 1 gekenn­ zeichneten Merkmal gelöst.The object is known in accordance with the invention in claim 1 feature resolved.

Das Meßprinzip beruht auf der Anbringung bzw. Projektion von farbig strukturierten Mustern auf das Meßobjekt. Aus der räumlichen Ver­ teilung der Muster kann die Form und/oder Formtreue des Meßobjektes, aus der Änderung der räumlichen Verteilung kann eine Verformung bzw. Bewegung des Objektes ermittelt werden.The measuring principle is based on the attachment or projection of colored structured patterns on the measurement object. From the spatial ver The pattern can be divided into the shape and / or shape accuracy of the measurement object, from the change in the spatial distribution can be a deformation or movement of the object can be determined.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß nach den bekannten Verfahren die Strukturierung des Lichts allein über dessen Hellig­ keitsverteilung (Grauwertverteilung) erzeugt wird. Im Hellig­ keitsbereich lassen sich in der Praxis im allgemeinen jedoch nur einige 10 Grauwerte deutlich unterscheiden, wodurch die Auflösung der Verfahren begrenzt wird. Sofern zur Erhöhung der Auflösung mit mehreren Lichtstrukturen gearbeitet wird, deren meßtechnische Er­ fassung zeitlich nacheinander erfolgt, so wird dadurch die Zeit, die insgesamt für die Erfassung der Meßdaten benötigt wird, entsprechend verlängert. Dadurch können dynamische Vorgänge im allgemeinen nicht mehr erfaßt werden. Das Verfahren wird dadurch außerdem empfindlich gegen unerwünschte mechanische und thermische Störungen. The invention is based on the knowledge that according to the known Process the structuring of light solely via its brightness distribution (gray scale distribution) is generated. In the bright In practice, however, the range of some 10 grayscale values differ significantly, reducing the resolution the procedure is limited. If to increase the resolution with several light structures are worked, the metrological Er takes place one after the other in time, the time which is required overall for the acquisition of the measurement data, extended accordingly. This allows dynamic processes in the generally no longer be recorded. The procedure is thereby also sensitive to unwanted mechanical and thermal Disorders.  

Durch die Verwendung von Farbinformationen zur Strukturierung von Licht kann bei vorgegebener Strukturgeometrie eine wesentlich höhere Informationsdichte erzeugt werden. Da die in der Farbcodierung enthaltene Information direkt in Meßdaten umgerechnet werden kann, resultiert eine entsprechend höhere Verfahrens­ auflösung.By using color information to structure Light can be essential for a given structural geometry higher information density are generated. Since the in the Color coding contains information converted directly into measurement data can result in a correspondingly higher procedure resolution.

Da sowohl die Beleuchtung als auch die meßtechnische Erfassung der farbig strukturierten Daten gleichzeitig erfolgen kann, ist das Verfahren auch zur Erfassung dynamischer Vorgänge geeignet. Für sehr schnell verlaufende Prozesse bzw. bewegte Objekte kann außer­ dem eine Kurzzeitbelichtung, z. B. mit Blitzlampen, erfolgen.Since both the lighting and the measurement of the colored structured data can be done simultaneously, that is Process also suitable for capturing dynamic processes. For Very fast processes or moving objects can be excluded a short exposure, e.g. B. with flash lamps.

Der Einsatz von Videoprojektoren für die Erzeugung des farbig strukturierten Lichtes ermöglicht eine elektronische Generierung der farbcodierten Projektionsmuster. Damit läßt sich eine schnelle Anpassung an Gegebenheiten eines spezifischen Prüfaufbaus realisieren.The use of video projectors for the generation of the colored structured light enables electronic generation the color-coded projection pattern. This allows a quick Adaptation to the circumstances of a specific test setup realize.

Der Einsatz von HOE′s bietet den Vorteil, daß im HOE gleichzeitig das Projektionsobjektiv integriert werden kann, was eine sehr kompakte Bauweise des Projektors ermöglicht. Ein weiterer Vorteil liegt hier in der Tatsache, daß in einem HOE mehrere Farbmuster gespeichert werden können.The use of HOE's offers the advantage that in the HOE at the same time the projection lens can be integrated, which is a very compact design of the projector enables. Another advantage lies in the fact that in one HOE there are several color samples can be saved.

Die Auswertung von mehreren farbcodierten Lichtstrukturen ermög­ licht eine weitere Steigerung des Auflösungsvermögens sowie eine Absoluteichung der Meßdaten.The evaluation of several color-coded light structures enables light a further increase in resolving power as well as a Absolute calibration of the measurement data.

Die Erzeugung des strukturierten Farbmusters kann durch Verwendung eines Farbdias oder dergleichen in dem Projektions-Strahlengang erfolgen.The generation of the structured color pattern can be by use a color slide or the like in the projection beam path respectively.

Bei ebenen und glatten Objekten kann anstelle des Farbdias ein Farbcode direkt auf das Objekt aufgebracht werden. Dazu eignen sich Fotolacke, die entsprechend dem gewünschten Muster auf das Objekt aufgebracht, belichtet und entwickelt werden. For flat and smooth objects you can use instead of the color slide Color code can be applied directly to the object. Are suitable for this Photoresists that match the desired pattern on the object applied, exposed and developed.  

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles, das in der Zeichnung schematisch dargestellt ist, näher erläutert. Das Beispiel demonstriert die Formvermessung eines Prüfobjektes.The invention is based on an embodiment that in the Drawing is shown schematically, explained in more detail. The Example demonstrates the shape measurement of a test object.

Auf einem Farbdia 1 sind in einer periodischen Gitterstruktur Farbkeile vorhanden. Entsprechende Dias können auf photografischem Weg hergestellt werden. Dieses Farbdia 1 wird mit einem Projektor 2 mittels einer Projektionsoptik 3 auf das Prüfobjekt 4 projiziert. Die auf dem Objekt 4 dadurch sichtbar werdende farbige Gitter­ struktur wird mit einer Farbkamera 5 unter einem Winkel erfaßt. Die so aufgenommenen Farbbilddaten werden an ein geeignetes Farb­ bildverarbeitungssystem 6 bekannter Art weitergeleitet. Dort er­ folgt die Digitalisierung, Speicherung und Auswertung der Meßdaten.Color wedges are present on a color slide 1 in a periodic grid structure. Corresponding slides can be made photographically. This color slide 1 is projected onto the test object 4 using a projector 2 by means of projection optics 3 . The visible on the object 4 colored grid structure is captured with a color camera 5 at an angle. The color image data recorded in this way are forwarded to a suitable color image processing system 6 of a known type. There he digitizes, stores and evaluates the measurement data.

Für die Auswertung der Meßdaten ist entscheidend, daß die auf dem Objekt 4 sichtbare und von der Kamera 5 erfaßte Gitterstruktur bei gegebener Geometrie des Prüfaufbaus in bekannter Weise von der 3D- Kontur des Prüfobjekts bestimmt wird. Zur Eichung der geo­ metrischen, optischen und elektronischen Parameter des Prüfstand­ aufbaus können Messungen an Referenzobjekten (ebene Flächen, Musterobjekte usw.) aufgenommen und ausgewertet werden.It is crucial for the evaluation of the measurement data that the lattice structure visible on the object 4 and detected by the camera 5 is determined in a known manner from the 3D contour of the test object given the geometry of the test setup. Measurements on reference objects (flat surfaces, sample objects, etc.) can be recorded and evaluated in order to calibrate the geometric, optical and electronic parameters of the test bench structure.

Die Ergebnisse stehen nach der Auswertung in digitaler Form zur Verfügung. Sie können auf Datenspeicher abgelegt oder zur Weiter­ verarbeitung ausgegeben bzw. weitergeleitet werden.After evaluation, the results are available in digital form Available. They can be stored on data storage or for further processing output or forwarded.

Claims (9)

1. Verfahren zur meßtechnischen Erfassung der Form, Formänderung und dergleichen von Objekten, wobei strukturierte Lichtinfor­ mation des bestrahlten Objekts erfaßt und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß strukturierte Farbinformation verwendet wird.1. A method for metrological detection of the shape, shape change and the like of objects, wherein structured Lichtinfor mation of the irradiated object is detected and evaluated, characterized in that structured color information is used. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu vermessende Objekt mit farbig strukturiertem Licht beleuchtet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the Object to be measured with colored structured light is illuminated. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kurzzeitbelichtung erfolgt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that there is a short exposure. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektion des farbig strukturierten Lichtes mittels Videoprojektor erfolgt.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized that the projection of the colored textured Light is carried out by means of a video projector. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektion des farbig strukturierten Lichtes mittels Holografisch Optischem Element (HOE) erfolgt.5. The method according to any one of claims 1-3, characterized characterized that the projection of the colored textured Light is made by means of a holographic optical element (HOE). 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Farbmuster, die sich in Farbe und/oder räumlicher Verteilung unterscheiden, gleichzeitig und/oder nacheinander projeziert werden.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized featured several color swatches that differ in color and / or spatial distribution, simultaneously and / or be projected one after the other. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein strukturierter Farbcode auf das zu vermessende Objekt auf­ gebracht wird.7. The method according to claim 1, characterized in that a structured color code on the object to be measured brought. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Objekt sichtbare Farbinfor­ mation mittels eines Farbsensors erfaßt und aus der Verteilung der so gewonnenen Farbinformation die Meßdaten berechnet werden.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized that the color information visible on the object mation detected by a color sensor and from the distribution the measurement data is calculated from the color information thus obtained will. 9. Ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gewonnene Farbinformation rechnergestützt in quantitativer Form ausgewertet wird.9. A method according to one of the preceding claims, characterized in that the color information obtained computer-aided evaluation in quantitative form.
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