DE19532767C2

DE19532767C2 - Triangulationsverfahren

Info

Publication number: DE19532767C2
Application number: DE19532767A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Noll; Martin Sellhorst
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-09-05
Filing date: 1995-09-05
Publication date: 2000-12-28
Anticipated expiration: 2015-09-06
Also published as: DE19532767A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Triangulationsverfahren gemäß dem Ober begriff von Patentanspruch 1. Mit Triangulationsverfahren wird der Abstand zwischen einer Bezugsebene und einer Objektoberfläche ab solut gemessen. Dadurch ist es möglich, die Lage und/oder Gestalt von Objekten zu bestimmen, beispielsweise in der Produktions technik.

Stand der Technik

Triangulationsverfahren sind auf dem Gebiet der Lasermeßtechnik bekannt (Donges A., Noll R.: Lasermeßtechnik - Grundlagen und Anwendungen. Heidelberg: Hüthig Buch Verlag 1993, ISBN 3-7785- 2216-71. Ein kollimierter Laserstrahl wird auf eine Objektoberfläche gerichtet und erzeugt dort einen Leuchtfleck. Das an der Oberfläche gestreute Licht wird von einem Objektiv, das unter einem Winkel ge gen die Einstrahlrichtung angeordnet ist, auf einen positionsempfind lichen Detektor abgebildet. Als Detektoren werden positionsempfind liche Dioden (position sensitive diodes, PSD) oder sogenannte char ged coupled devices (CCD) eingesetzt. Aus der mit Hilfe der Detekto ren bestimmten Lage des abgebildeten Leuchtflecks sowie der be kannten Einstrahl- und Beobachtungsrichtung wird der Abstand zwi schen einer Bezugsebene und der Leuchtfleckposition auf der Ober fläche ermittelt.

In der DE-OS 38 22 143 ist ein Triangulationsver fahren offenbart, bei dem die Oberfläche eines Objekts mittels eines Lichtstrahls abgetastet wird und wobei von der Oberfläche gestreu tes und reflektiertes Licht von einem Objektiv auf einen positions empfindlichen Detektor abgebildet wird. Der Triangulationssensor be steht im wesentlichen aus einer Lichtquelle, vorzugsweise einem Laser, einer Einrichtung mit der der Laserstrahl relativ über das Objekt bewegt werden kann sowie einem positionsempfindlichen Detektor mit vorgeschaltetem Objektiv, mit dem die Position des Laserstrahls auf der Objektoberfläche gemessen wird. Durch Bewegung des Laserstrahl über das Objekt wird der Abstand einer Linie auf der Objektoberfläche von einer Bezugsebene ermittelt und somit das Oberflächenprofil dieser Linie.

Nachteilig an den bekannten Triangulationsverfahren ist, daß für die gleichzeitige Messung mehrerer Abstände zwischen einer Bezugs ebene und der Objektoberfläche so viele Lasertriangulationssensoren eingesetzt werden müssen, wie Abstände gemessen werden sollen. Dabei enthält jeder Lasertriangulationsensor eine Strahlquelle, eine Abbildungsoptik sowie einen positionsempfindlichen Detektor. Für eine gleichzeitige Messung müssen zudem die einzelnen Sensoren synchronisiert werden. Insgesamt erfordert die gleichzeitige Messung mehrerer Abstände einen relativ hohen gerätetechnischen Aufwand.

Die gattungsbildende DE 36 42 051 A1 beschreibt ein Triangulationsverfahren bei dem Bildmusterstrahlen in einer Vielzahl durch ein erstes optisches System auf ein Objekt geworfen werden. Von den Bildmusterstrahlen am Objekt erzeugte optische Bilder werden durch ein zweites optisches System hindurch von einem Bildempfänger empfangen, um die Orte der empfangenen optischen Bilder zu erfassen. Die Abstände der von den erfaßten Stellen der optischen Bilder zu einer Vielzahl von Stellen am Objekt werden gemessen, womit man eine dreidimensionale Information über das Objekt erhält.

Die DE 34 35 033 A1 beschreibt ferner ein Lichtschnittverfahren zur optischen oder optoelektronischen Abstands- bzw. Tiefenmessung und Oberflächenprüfung. Meßungenauigkeiten werden gemäß dieser Lehre dadurch gemindert, daß die Ebenen in denen Lichtstrahl und Meßfläche mit Skala oder Detektorfläche verlaufen, miteinander die Scheimpflug'sche Bedingung erfüllen.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Triangula tionsverfahren anzugeben, bei dem mehrere Abstände mit nur einem positionsempfindlichen Detektor gleichzeitig gemessen werden kön nen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 mit den Merkmalen des Kennzeichens von Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteran sprüchen 2 bis 8 angegeben.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß der gerätetechnische Aufwand für die gleichzeitige Messung mehrerer Abstände erheblich reduziert wird und zudem eine Synchronisation mehrerer Triangu lationssensoren nicht erforderlich ist. Das Oberflächenprofil eines Objekts, z. B. eines Werkstücks in der Produktionstechnik, kann somit vergleichsweise schnell und einfach ermittelt werden.

Insbesondere der Einsatz von Lasern gemäß dem Unteranspruch 4 vereinfacht das Triangulationsverfahren, da auf diese Weise die ge wünschte Anzahl an Meßstrahlen auf einfache Art und Weise erzeugt werden kann. Die Verwendung von Lasern hat darüber hinaus den Vorteil, daß in einfacher Weise die Leuchtflecke auf einer Geraden positioniert werden können, wie im Unteranspruch 8 angegeben. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die Leuchtflecke ohne Un schärfe auf dem Detektor abgebildet werden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Die Strahlung, mit der die Objektoberfläche be aufschlagt wird, stammt von einem Laser. Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß auch jede andere Strahlungsquelle einge setzt werden kann, mit der Meßstrahlen erzeugt werden können, die an der Objektoberfläche wenigstens teilweise gestreut werden. Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Ausführung mit zwei Laserstrahlen

Fig. 2 Aufsicht auf die linienförmige Detektorfläche mit Bildern von Leuchtflecken für verschiedene Postitionen der Objektober fläche

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 sei der Lösungsweg des erfindungsgemäßen Vefahrens be schrieben. Ein Laserstrahl (3) erzeugt auf der Oberfläche (2) eines Werkstücks (1) einen Leuchtfleck (4). Die Optik (5) bildet den Leuchtfleck (4) auf den Detektor (6) ab. Das Bild des Leuchtflecks ist in Fig. 1 mit (4') bezeichnet. Der Detektor ist eine CCD-Zeile, beste hend aus einer zeilenförmigen Anordnung gleichartiger Detektorele mente. Jedes Detektorelement liefert ein elektrisches Signal als Funktion der auf dieses Element einfallenden Strahlungsintensität.

Verändert die Objektoberfläche (2) ihre Lage in z-Richtung (13) bei spielsweise, weil das abgetastete Oberflächenprofil eine Erhöhung aufweist, so verschiebt sich der Leuchtfleck (4) ebenfalls in z- Richtung. Diese Verschiebung führt zu einer Veränderung der Lage des Bildes (4') auf dem Detektor.

Figur. 2 zeigt eine Detailansicht des Detektors (6). Er besteht vor zugsweise aus einer CCD-Zeile (14) mit ihren gleichartigen Detektor elementen (15), die zeilenförmig angeordnet sind. In Fig. 2 sind ver schiedene Lagen des abgebildeten Leuchtflecks (4'), (4") und (4''') dargestellt. Sie entsprechen verschiedenen Positionen der Objekt oberfläche (2) in z-Richtung und damit des Leuchtflecks (4).

Um mehrere Abstände gleichzeitig zu messen, werden mehrere Laserstrahlen auf das Objekt (1) gerichtet. In Fig. 1 ist beispielhaft ein weiterer Laserstrahl (11) eingezeichnet. Dieser erzeugt einen Leucht fleck (12) auf der Objektoberfläche (2). Auf dem Detektor (6) ent steht das Bild (12') des Leuchtflecks. Fig. 2 zeigt verschiedene Bild positionen (12'), (12") und (12''') des Leuchtflecks (12), je nach Lage der Objektoberfläche (2) auf der Strahlachse des Laserstrahls (11).

Die Laserstrahlen (3), (11) und die Optik (5) sind so angeordnet, daß die Leuchtflecke (4), (12) sowie deren Bilder (4'), (4"), (4''') und (12'), (12") und (12''') in einer Ebene liegen. Der Detektor (6) wird auf diese Ebene ausgerichtet, so daß alle Bildpositionen von der CCD- Zeile (14), wie in Fig. 2 dargestellt, erfaßt werden.

Der Bereich der möglichen Positionen der Objektoberfläche in z-Rich tung hängt von dem zu untersuchenden Objekt ab. Für jedes Objekt oder für jeden zu untersuchenden Objektbereich liegt er zwischen einer unteren und oberen Grenze z_u, z_o. Unter Nutzung der bekann ten optischen Abbildungsgesetze wird die Anordnung in Fig. 1 so ausgelegt, daß für alle Leuchtfleckpositionen (4) und (12) innerhalb des Intervalls (z_u, z_o) die jeweiligen Bilder auf dem Detektor vonein ander getrennte Detektorbereiche (16), (17) überstreichen, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind. Das Intervall (z_u, z_o) bestimmt somit die Be abstandung der Meßstrahlen (3) und (11). Je größer die Variation des von einem Meßstrahl abgetasteten Oberflächenprofils ist, um so größer muß der ihm zugeordnete Detektorbereich sein und benach barte Meßstrahlen müssen entsprechend weiter voneinander beab standet sein.

Bei der Auswertung des Zeilensignals wird nun so vorgegangen, daß für jeden Bereich die Lage des jeweiligen Bildes des Leuchtflecks bestimmt wird. Dazu wird beispielsweise aus den Signalen der De tektorelemente eines Bereiches der Schwerpunkt der Intensitätsver teilung berechnet. Auf diese Weise können mehrere Abstände aus einem Zeilensignal bestimmt werden.

Bei einer Verschiebung der Objektoberfläche außerhalb der oben an gegebenen Grenzen kann der Fall eintreten, daß das Bild eines Leuchtflecks auf dem Detektor den ihm zugeordneten Detektorbe reich verläßt und ganz oder teilweise in einen benachbarten Detek torbereich fällt.

Sind in einem Detektorbereich zwei Leuchtfleckbilder vorhanden, so kann der zu ermittelnde Schwerpunkt der Intensitätsverteilung in die sem Detektorbereich nicht mehr eindeutig einem Abstand zugeordnet werden. Bei der Auswertung der CCD-Zeile für die gleichzeitige Mes sung mehrerer Abstände ist es daher vorteilhaft zunächst zu prüfen, ob in jedem Detektorbereich genau ein Bild eines Leuchtflecks vor handen ist. Ist in einem Detektorbereich kein Bild eines Leuchtflecks, nur ein Teil eines Bildes eines Leuchtflecks oder sind mehrere Bilder von Leuchtflecken vorhanden, so wird angezeigt, daß das Meßobjekt wenigstens an einer Meßstelle das Intervall (z_u, z_o) verlassen hat. Um in diesem Fall das Meßobjekt weiter vermessen zu können, können die Abstände der Meßstrahlen vergrößert und gleichzeitig der jedem Leuchtfleck zugeordnete Detektorbereich vergrößert werden. Statt einer Vergrößerung des Abstandes können auch einzelne Laserstrahlen einer Serie paralleler Laserstrahlen abgeblockt werden, so daß dies einer Abstandsvergrößerung zwischen benachbarten Strahlen, die das Objekt erreichen, entspricht.

Für die Auswertung der Signale der Detektorelemente, die oben be schriebene Prüfung sowie die Berechnung der Schwerpunktlagen der Intensitätsverteilungen jedes Detektorbereiches wird vorzugsweise eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung verwendet.

Damit die Leuchtflecke (4) und (12) möglichst ohne Unschärfe auf den Detektor (6) abgebildet werden, werden Detektor (6) und Linse (5) so angeordnet, daß sich die durch die Punkte (4) und (12) be stimmte Gerade (18), die Längsmittelachse (19) der CCD-Zeile (14) und die Linsenebene (20) in einem Punkt (21) schneiden.

Die Gerade 18 wird vorzugsweise so gewählt, daß sie in der Mitte des Intervalls (z_u, z_o) zu liegen kommt.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Werkstück

2

Oberfläche des Werkstücks

3

erster Laserstrahl (Meßstrahl)

4

Leuchtfleck

5

Optik

6

Detektor

11

zweiter Laserstrahl (Meßstrahl)

12

Leuchtfleck

13

z-Richtung

14

CCD-Zeile

15

Detektorenelement

16

Detektorbereich

17

Detektorbereich

18

Gerade der Objektoberfläche

19

Längsmittelachse des Detektors

20

Linsenebene

21

Schnittpunkt

Claims

1. Triangulationsverfahren zur Abstandsbestimmung an einem Objekt, insbesondere zur Bestimmung des Oberflächenprofils (2) eines Objekts (1), bei dem das Objekt (1) mit zwei oder mehreren Meßstrahlen (3, 11) beaufschlagt wird, die an der Objektoberfläche (2) eine entsprechende Anzahl von Leuchtflecken (4, 12) erzeugen, die über ein Objektiv (5) auf eine positionsempfindliche Detektorzeile (6) abgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrahlen (3, 11) in einer Ebene liegen und parallel zueinander verlaufen, daß das Objektiv (5) und die Detektorzeile (6) derart ausgerichtet sind, daß die Längsmittelachse (19) der Detektorzeile (6), die Objektivebene (20), und eine Gerade (18), die entlang der Leuchtflecke in der Mitte eines vorgebbaren Meßbereichs (z_u, z_o) verläuft, einen gemeinsamen Schnittpunkt (21) aufweisen, und daß jedem Leuchtfleck (4, 12) ein Detektorbereich (16, 17) zugeordnet wird und der Meßstrahlenabstand derart bemessen wird, daß die Bilder (4', 4", 4'''; 12', 12", 12''') der Leuchtflecke (4, 12) ihren Detektorbereich (16, 17) nicht verlassen, sofern die Leuchtflecke im vorgegebenen Meßbereich (z_u, z_o) liegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorab geprüft wird, ob in jedem Detektorbereich (16, 17) genau ein Bild eines Leuchtflecks (4, 12) vorhanden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Meßstrahlen (3, 11) um Laserstrahlen handelt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Laserstrahlen ein oder mehrere HeNe-Laser oder ein oder mehrere Halbleiterlaser vorgesehen sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor (6) eine segmentierte positionsempfindliche Diode oder eine CCD-Zeile verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Fläche der Detektorelemente der CCD-Zeile eine rechteckige Gestalt hat, wobei die Ausdehnung quer zur Zeilenachse größer ist als in Zeilenachse.