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Dokumentenidentifikation DE202004009224U1 16.09.2004
Titel Sensor zur Vermessung der Oberfläche eines Objekts
Anmelder ISRA Vision Systems AG, 64297 Darmstadt, DE
Vertreter Keil & Schaafhausen Patentanwälte, 60322 Frankfurt
DE-Aktenzeichen 202004009224
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 16.09.2004
Registration date 12.08.2004
Application date from patent application 14.06.2004
IPC-Hauptklasse G01B 11/25

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Vermessung der Oberfläche eines Objekts mit einer Kontrastierungseinheit zur Projektion eines Musters auf die Oberfläche des Objekts sowie einer Kamera zur Aufnahme des auf die Oberfläche des Objekts projizierten Musters. Dieser Sensor eignet sich mit einer an den Sensor anschließbaren oder in den Sensor integrierten Auswerteeinheit insbesondere für das Messprinzip der Triangulation.

Derartige nach dem Prinzip der Triangulation arbeitende Sensoren sind bereits bekannt. Sie verwenden Laser als Kontrastierungseinheit und projizieren zur Kontrastierung einen Streifen auf die zu vermessende Oberfläche. Durch Auswertung des von der Kamera aufgenommenen Streifens können entlang einer Kurve 3-dimensionale Punkte ermittelt werden, die Aufschluss über die Oberflächenstruktur geben. Nachteilig ist an den bisher bekannten Sensoren, dass diese aufgrund des Lasers zur Erzeugung des Kontrastierungsstreifens eine große Bauform aufweisen. Durch das Laserlicht bestehen ferner Sicherheitsrisiken für sich im Messbereich aufhaltende Menschen, wenn das Laserlicht auf die Netzhaut fällt. Außerdem sind Laser empfindliche optische Geräte, so dass die bekannten Sensoren empfindlich auf Erschütterungen reagieren und insgesamt nicht robust sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Sensor der eingangs genannten Art vorzuschlagen der kompakt aufgebaut und in der Anwendung robust ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Sensor der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die Kontrastierungseinheit einen LED-Projektor aufweist. LED's (Light Emitting Diodes) sind im Vergleich zu einem Laser wesentlich kleiner und lassen sich durch eine weniger aufwendige Elektronik ansteuern, die erfindungsgemäß mit in den Sensor integriert sein kann. Die LED's sind unempfindlich gegenüber Erschütterungen und Temperaturschwankungen und das erzeugte Licht ist für das menschliche Auge weniger gefährlich. Durch den Einsatz eines LED-Projektors wird also ein kleinerer und flexibler einsetzbarer Sensor zur Oberflächenvermessung geschaffen, der bspw. auch tauglich ist, um auf einem Roboter montiert zu werden, mit den damit einhergehenden Belastungen. Das projizierte Muster kann bspw. aus einem oder mehreren Streifen bestehen.

Um nicht nur 3-dimensionale Punkte entlang einer Kurve ermitteln zu können, kann das Muster erfindungsgemäß aus mehreren Streifen bestehen oder diese aufweisen. Alternativ können auch andere Flächenmuster verwendet werden. Damit lassen sich bspw. mittels Triangulation 3-dimensionale Punktdaten einer Oberfläche erhalten, so dass anhand der mehreren Streifen bzw. des Flächenmusters eine 3-dimensionale Fläche ermittelt werden kann. Dafür wird der LED-Projektor entsprechend kalibriert, um ein Modell der Lage des Streifen- bzw. Projektionsmusters im Raum zu erhalten.

Die 3-dimensionalen Flächendaten können dann von einer Auswerteeinheit, die erfindungsgemäß an einen Sensor angeschlossen werden oder in diesen integriert sein kann, subpixelgenau berechnet werden. Dabei können die Messpunkte mit Splines oder als Polygone dargestellt werden. Erfindungsgemäß kann das Muster jedoch auch an die Oberfläche angepasst werden und bspw. aus einer Projektion von konzentrischen Kreisen, radialen Strahlen oder dgl. geometrischen Figuren bestehen. Ferner ist es möglich Streifen und/oder andere geometrische Figuren in einer Projektion zu kombinieren.

Um die Auswertesicherheit zu erhöhen, kann das Muster codiert ausgeführt sein. Bei einem aus bspw. mehreren Streifen gebildeten Muster ist jedem Streifen eine eigene Codierung bspw. in Form eines Strichcodes oder einer sonstigen eindeutigen Kennung zugeordnet. Die Codierung erhöht die Robustheit der Streifendetektion im Bild, da bei codierten Streifen eine Plausibilitätsprüfung für das bei der Auswertung notwendige Abzählen der Streifen im Bild möglich ist. Eine Codierung ist analog auch bei anderen projizierten Mustern möglich.

Um das Muster verschiedenen Objektoberflächen anpassen zu können, kann der LED-Projektor gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform drehbar montiert sein. Dadurch kann das Muster auf der Oberfläche gedreht und der Oberflächenstruktur optimal angepasst werden. Für den Betrieb wird der LED-Projektor dann vorzugsweise arretiert, um eine Verstellung bzw. Dejustage zu verhindern.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann in den Sensor eine Flächenbeleuchtung, insbesondere eine LED-Flächenbeleuchtung, integriert sein. Durch die Flächenbeleuchtung kann die Kamera des Sensors auch 2-dimensionale Merkmale auf der Objektoberfläche wahrnehmen.

Ein vorteilhafter Aufbau des Sensors liegt erfindungsgemäß darin, die Kamera und den LED-Projektor in Längsanordnung zu montieren.

In diesem Fall sind der Kamera und dem LED-Projektor vorzugsweise jeweils ein insbesondere bewegbar angeordneter Umlenkspiegel zugeordnet. Durch die Umlenkspiegel werden das Projektionsmuster des LED-Projektors auf die Oberfläche des Objekts gelenkt und das Sichtfeld der Kamera auf dieselbe Oberfläche ausgerichtet wird. Damit ergibt sich ein rechnerische Länge der Triangulationsbasis, die größer ist als die Gehäuselänge. Ferner ist die Bauform dahingehend optimiert, dass sie die kleinstmögliche Bauform zur Realisierung einer bestimmten Länge der Triangulationsbasis bei höchster Packungsdichte darstellt.

Erfindungsgemäß können die Kamera und/oder der LED-Projektor ein auswechselbares Objektiv und/oder einen Filter aufweisen. Durch Variation von Objektiven insbesondere mit unterschiedlichen Brennweiten und ggf. einstellbaren Winkeln der Umlenkspiegel kann der Sensor für eine Vielzahl von Genauigkeits- und Entfernungsbereichen angepasst bzw. eingesetzt werden. Ferner ist es sinnvoll, vor der Kamera an die Farbe bzw. das Spektrum der zur Projektion und/oder Beleuchtung eingesetzten LED's angepasste Filter einzusetzen, um Fremdlicht- und Umgebungseinflüsse zu minimieren.

Vorteilhafter Weise ist dem LED-Projektor und/oder der Flächenbeleuchtung eine Beleuchtungssteuerung für eine Dauerbeleuchtung und/oder einen Blitzbetrieb zugeordnet, die bspw. in Form einer Steuerelektronik in den Sensor integriert ist. Die Elektronik dient zur Ansteuerung der LED's. Vorzugsweise sind der LED-Projektor und/oder die Flächenbeleuchtung getrennt voneinander schaltbar, so dass beide Beleuchtungskanäle (LED-Projektor und LED-Flächenbeleuchtung) separat voneinander ansteuerbar sind. Für beide Kanäle ist ein Blitzbetrieb möglich. Ferner können die LED's erfindungsgemäß bei einem definierten Einschaltpunkt für eine definierte Zeitdauer geschaltet werden.

Bei den LED's sind die Ein- und Ausschaltverzögerung extrem kurz. Daher können die erfindungsgemäßen LED-Projektor und LED-Flächenbeleuchtung extrem kurz und schnell hintereinander geschaltet und geblitzt werden. Damit ist ein extrem schneller Einsatz des Sensors möglich, bei dem der LED-Projektor, die Flächenbeleuchtung, die Kamera und/oder eine integrierte oder an den Sensor anschließbare Auswerteeinrichtung bspw. mit einem Takt von etwa 1 bis 50 ms schaltbar sind.

Eine optimierte Handhabung des Sensors kann erreicht werden, wenn der Sensor in einem Gehäuse angeordnet ist, bei dem dem LED-Projektor, der Kamera und ggf. der Flächenbeleuchtung zugeordnete Austrittsöffnungen auf einer Seite des Gehäuses angeordnet sind. Dabei kann die Flächenbeleuchtung in Längsrichtung in der Mitte des Gehäuses positioniert sein. Der LED-Projektor und die Kamera sind vorzugsweise auf beiden Seiten der Flächenbeleuchtung und die Umlenkspiegel jeweils an den Enden des Gehäuses angeordnet.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

Es zeigen:

1 eine Draufsicht auf den Innenaufbau eines erfindungsgemäßen Sensors und

2 eine dreidimensionale Ansicht des Gehäuses des Sensors gemäß 1.

1 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors 1 zur Vermessung der Oberfläche eines Objekts in einem Gehäuse 2. Der Sensor 1 weist eine Kontrastierungseinheit 3 zur Projektion eines Musters auf die Oberfläche des Objekts sowie eine Kamera 4 zur Aufnahme des auf die Oberfläche des Objekts projizierten Musters auf.

Die Kontrastierungseinheit 3 umfasst einen LED-Projektor 5, der ein aus mehreren codierten Streifen bestehendes Muster erzeugt. Dazu sind eine entsprechende LED und Optik in das Projektorgehäuse 6 aufgenommen, das mit einem Deckel verschließbar und drehbar angeordnet ist, wobei das Projektorgehäuse 6 im Betrieb fixiert werden kann. Zur Erzeugung eines Projektionsbildes auf der zu vermessenden Objektoberfläche ist auf den LED-Projektor 5 ein Objektiv 7 aufgesetzt, das auf einen Umlenkspiegel 8 ausgerichtet ist. Der Umlenkspiegel 8 wirft das Projektionsbild durch eine Projektionsöffnung 9 (vgl. 2) auf die zu vermessende Oberfläche eines nicht dargestellten Objekts.

Das dort erzeugte Projektsbild wird durch die Kamera 4 aufgenommen. Dazu ist ein Objektiv 10 der Kamera 4 auf einen Umlenkspiegel 11 ausgerichtet, der das Projektionsbild durch eine Kameraöffnung 12 (vgl. 2) einfängt und auf der Sensorfläche der Kamera 4 abbildet. Vor dem Objektiv 10 der Kamera 4 ist ein Filter 13 angebracht.

Die LED-Flächenbeleuchtung 14 ist in der Mitte des Gehäuses 1 angeordnet und besteht vorzugsweise aus mehreren (mindestens zwei) LED's. Das Licht dieser LED's tritt durch eine Beleuchtungsöffnung 15 (vgl. 2) aus dem Sensor 1 aus und dient einer gleichmäßigen Beleuchtung der zu vermessenden Objektoberfläche.

Zur Ansteuerung des LED-Projektors 5 und der LED-Flächenbeleuchtung 14 ist eine nicht dargestellte Beleuchtungssteuerung bzw. Elektronik vorgesehen, die in den Sensor 1 integriert sein kann. Diese kann den LED-Projektor 5 und die LED-Flächenbeleuchtung 14 jeweils separat mit Dauer- oder Blitzbeleuchtung beaufschlagen. Eine entsprechende Steuerung der Kamera 4 ist mit in dem Gehäuse der Kamera integriert, welche über nicht dargestellte Anschlüsse an eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung der aufgenommenen Bilder angeschlossen ist.

Insbesondere durch die Kombination des LED-Projektors 5 mit der LED-Flächenbeleuchtung 14 kann der Ort bspw. einer Bohrung oder sonstigen Aussparung in einer Oberfläche sehr effizient gemessen werden. Dazu können separat Aufnahmen mit dem projizierten Muster und der Flächenbeleuchtung gemacht werden. Durch Kopplung beider Aufnahmen bzw. der ermittelten Positionsdaten kann die Position des Merkmals im 3-dimensionalen Raum sehr genau ermittelt werden.

Die LED-Flächenbeleuchtung 14 ist in Längsrichtung des Gehäuses 2 in der Mitte angeordnet. Auf beiden Seiten der LED-Flächenbeleuchtung 14 sind auf einer gemeinsamen optischen Achse, welche in Längsrichtung des Gehäuses 2 liegt, der LED-Projektor 5 und die Kamera 4 angeordnet, wobei die Blickrichtungen von Kamera 4 und LED-Projektor 5 entgegengesetzt sind. An den jeweiligen Enden des Gehäuses 2 in Längsrichtung sind je ein Umlenkspiegel 8, 11 in der optischen Achse angeordnet, wobei der Winkel der Umlenkspiegel 8, 11 relativ zu optischen Achse variiert werden kann. Durch die Umlenkspiegel 8,11 werden das Projektionsbild und das aufzunehmende Bild durch die in einer Seite des Gehäuses 2 angeordneten Projektionsöffnung 9 und Kameraöffnung 12 gelenkt. Die Beleuchtungsöffnung 15 ist in derselben Seite des Gehäuses 2 an der der LED-Flächenbeleuchtung 14 entsprechenden Stelle angeordnet.

Diese Bauform stellt einen optimalen Aufbau dar, bei der die Triangulationsbasis für die Auswertung der Bilder bei höchster Packungsdichte und größtmöglicher Kompaktheit am größten ist. Der erfindungsgemäße Sensor 1 kann jedoch auch mit einem anderen Sensoraufbau realisiert werden, wobei die Verwendung von LED's als Beleuchtungs- und Kontrastierungseinheiten weniger Sicherheitsrisiken im Vergleich zu Lasersystemen und enorme Kostenvorteile bieten sowie einen geringeren Bauraum benötigen.

Der Sensor 1 kann erfindungsgemäß für 3-dimensionale Messaufgaben in der Endmontage eingesetzt werden. Er ist auch für in unterschiedlichen Farben lackierte Objekte gut geeignet. Der Sensor 1 kann zusätzlich im Rohbau oder auf Rohblechen eingesetzt werden. Ein weiterer Einsatzbereich sind Roboterführungsaufgaben, wie bspw. Nahtführung oder Nahtverfolgung. Der Sensor kann auch zur Vermessung oder Kontrolle von Profilen bzw. profilierten Oberflächen eingesetzt werden, ebenso wie zur Bestimmung von 3-dimensionalen Profilen applizierter Kleberaupen oder sonstiger In-Line-Inspektionsaufgaben. Dabei kann der Sensor 1 in einem hohen Takt, bspw. alle 1 bis 50 Millisekunden, 3-dimensionale Daten liefern, wobei die LED-Beleuchtungen in entsprechendem Takt geblitzt werden können.

1 Sensor 2 Gehäuse 3 Kontrastierungseinheit 4 Kamera 5 LED-Projektor 6 Projektorgehäuse 7 Objektiv 8 Umlenkspiegel 9 Projektionsöffnung 10 Objektiv 11 Umlenkspiegel 12 Kameraöffnung 13 Filter 14 LED-Flächenbeleuchtung 15 Beleuchtungsöffnung

Anspruch[de]
  1. Sensor zur Vermessung der Oberfläche eines Objekts mit einer Kontrastierungseinheit (3) zur Projektion eines Musters auf die Oberfläche des Objekts sowie einer Kamera (4) zur Aufnahme des auf die Oberfläche des Objekts projizierten Musters, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrastierungseinheit (3) einen LED-Projektor (5) aufweist.
  2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster mehrere Streifen aufweist und/oder aus einem anderen Flächenmuster besteht.
  3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster codiert ist.
  4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der LED-Projektor (5) drehbar montiert und ggf. arretierbar ist.
  5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, in den Sensor (1) eine Flächenbeleuchtung, insbesondere eine LED-Flächenbeleuchtung (14), integriert ist.
  6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (4) und der LED-Projektor (5) in Längsanordnung insbesondere auf einer optischen Achse angeordnet sind.
  7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kamera (4) und dem LED-Projektor (5) jeweils ein insbesondere bewegbar angeordneter Umlenkspiegel (8, 11) zugeordnet ist.
  8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (4) und/oder der LED-Projektor (5) ein auswechselbares Objektiv (7, 10) und/oder einen Filter (13) aufweisen.
  9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem LED-Projektor (5) und/oder der Flächenbeleuchtung (14) eine Beleuchtungssteuerung für eine Dauerbeleuchtung und/oder einen Blitzbetrieb zugeordnet ist.
  10. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der LED-Projektor (5) und/oder die Flächenbeleuchtung (14) getrennt voneinander schaltbar sind.
  11. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der LED-Projektor (5), die Flächenbeleuchtung (14), die Kamera (4) und/oder eine Auswerteinrichtung mit einem Takt von etwa 1 bis 50 ms schaltbar sind.
  12. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) in einem Gehäuse (2) angeordnet ist, bei dem dem LED-Projektor (5), der Kamera (4) und ggf. der Flächenbeleuchtung (14) zugeordnete Austrittsöffnungen (9, 12, 15) auf einer Seite des Gehäuses (2) zugeordnet sind.
  13. Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenbeleuchtung (14) in Längsrichtung in der Mitte des Gehäuses (2) positioniert ist, der LED-Projektor (5) und die Kamera (4) auf beiden Seiten der Flächenbeleuchtung (14) und die Umlenkspiegel (8, 11) an den Enden des Gehäuses (2) angeordnet sind.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






IPC
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