專利名稱：用于對物體進行三維光學測量的裝置用的投影機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于采用形貌測量的測量方法對物體進行三維光學測量的裝置用的投影機，在該形貌測量的測量方法中攝取并且分析處理被投影到物體上的投影圖案的圖像，其中，該投影機具有一個照射單元及一個用于投影結(jié)構(gòu)光的、設(shè)置有投影圖案的載體。
背景技術(shù)：
按照也被稱為條紋投影的形貌測量(topometrisch)的原理借助于光學三角測量傳感器對物體表面進行三維光學測量已被充分公開。在此，不同的條紋圖案被投影到待測量的物體上，被一個或多個攝像機觀測并且接著被計算機支持地分析處理。
例如在Bernd Breuckmann的“工業(yè)實踐中的圖像處理和光學測量技術(shù)(Bildverarbeitung und optische Messtechnik in der industriellenPraxis)”(1993，F(xiàn)ranzis-出版有限公司，慕尼黑)中詳細說明了這種形貌測量的測量方法的基礎(chǔ)和實際應(yīng)用。
在1992年1月斯圖加特大學工業(yè)光學系Reinhard W.Malz的報告“用于3-D測量技術(shù)和檢驗的編碼結(jié)構(gòu)光(Codierte Lichtstrukturen für3-D-Meβtechnik und Inspektion)”中介紹了不同的裝置，通過這些裝置可以實現(xiàn)這種測量結(jié)構(gòu)。
例如由DE 44 15 834 C2公開了一種技術(shù)轉(zhuǎn)化，其中，所投影的結(jié)構(gòu)光借助于多個相位正確地設(shè)置在載體上的投影光柵產(chǎn)生，這些投影光柵先后通過載體的直線移動獲得投影。
此外，由EP 0 379 079 B2描述了一種用于多個并排設(shè)置的直線的平行的線條光柵的載體，其中，載體可確定地移動。
由DE 197 43 811 A1公開了一種裝置，在該裝置中在一個圓盤上設(shè)置一些螺旋狀的條紋。
US 4 871 256中同樣涉及一個圓盤，其中這里涉及圓形的條紋。這些圓形條紋的中心在盤的回轉(zhuǎn)點中。
這些文獻的共同之處在于，載體上的圖案涉及條紋。這些條紋可以通過對涂覆有金屬層的玻璃板照射的公知方法產(chǎn)生。通過這種方法既可以產(chǎn)生具有高線密度的光柵結(jié)構(gòu)，但也可以借助Dittering方法產(chǎn)生例如正弦形的亮度分布。
在Dittering方法中，例如通過由多個不同寬度的細線組成每個單個的光柵線來近似所述投影光柵的正弦形的亮度分布。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種改進的投影機，通過該投影機，在測量質(zhì)量保持相同的情況下，載體上的更簡單的結(jié)構(gòu)可保證成本更低廉地制造。此外，還可以實現(xiàn)非常高的測量速度。
根據(jù)本發(fā)明，提出了一種用于采用形貌測量的測量方法對物體進行三維光學測量的裝置用的投影機，在該形貌測量的測量方法中攝取并分析處理被投影到物體上的投影圖案的圖像，其中，投影機具有一個照射單元及一個用于投影結(jié)構(gòu)光的、設(shè)置有投影圖案的載體，其中，在該載體上設(shè)置一些呈重復(fù)的幾何單個結(jié)構(gòu)的形式的投影圖案，并且該帶有這些投影圖案的載體可這樣運動地設(shè)置，使得在運動和照射期間投影圖案的所選出的區(qū)域移動到照射單元與物體之間的光路中并且通過運動模糊在物體上呈現(xiàn)條紋形的圖案。
該任務(wù)通過開頭所述類型的投影機這樣解決，即在載體上設(shè)置一些呈重復(fù)的幾何單個結(jié)構(gòu)的形式的投影圖案，并且該帶有這些投影圖案的載體可這樣運動地設(shè)置，使得在運動和照射期間投影圖案的所選出的區(qū)域移動到照射單元與物體之間的光路中并且通過運動模糊在物體上顯現(xiàn)條紋形的圖案。
在根據(jù)本發(fā)明的投影機中，與Dittering方法相反地在載體上使用這樣一些投影圖案，這些投影圖案本身又由重復(fù)的、上下布置的、被填滿的單個結(jié)構(gòu)例如三角形、圓、菱形或者正弦形組成。
在此情況下該載體這樣裝配在投影機中，使得該載體在照射時間期間進行運動，該運動使得多個單個結(jié)構(gòu)經(jīng)過投影窗。在此情況下通過選擇結(jié)構(gòu)尺寸及運動速度這樣調(diào)整該投影機，使得在攝像機圖像中通過運動模糊產(chǎn)生一些條紋圖案。為此，攝像機的曝光時間也必須被相應(yīng)適配。一個接一個地分別設(shè)置這樣多的單個結(jié)構(gòu)，使得當載體運動時，在物體上投影以及攝取的圖像在曝光時間期間不變化。
如果要移動這些條紋或者改變這些條紋的寬度，則在載體上應(yīng)用不同的區(qū)域，在這些區(qū)域中所述單個結(jié)構(gòu)具有變化的位置或變化的寬度。
由此在該方法的該實施形式中僅需保證使曝光或圖像攝取與所期望的投影圖案同步。載體本身的移動速度對測量精度沒有影響。
在載體靜止時，作為投影圖案例如可看到多個單個結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)在靜止狀態(tài)中對于根據(jù)條紋投影原理的測量來說是不可用的。只有通過圖案在攝像期間的運動才由于運動模糊而產(chǎn)生所需要的條紋。
通過本發(fā)明，可以非常簡單地通過這些單個結(jié)構(gòu)的相應(yīng)適配提供所期望的條紋強度分布。不必如在公知的Dittering方法中那樣產(chǎn)生精細且昂貴的結(jié)構(gòu)。此外，載體運動在測量期間不必停止。由此可實現(xiàn)短的測量時間。
載體可這樣可運動地設(shè)置在投影機中，使得進行載體的直線移動。投影圖案則相應(yīng)地直線定向。
在一個可替換的實施形式中，載體可這樣可運動地設(shè)置在投影機中，使得進行載體的旋轉(zhuǎn)運動。投影圖案則相應(yīng)地圓形定向。這具有其優(yōu)點，即可以無停止時間地實現(xiàn)無中斷的測量。
為了使投影機同步，特別有利的是，為了觸發(fā)照射單元和/或至少一個觀測攝像機而這樣在載體上設(shè)置標記，使得如果與一個標記對應(yīng)配置的投影圖案在照射單元與物體之間的光路中對準，則進行照射和/或攝像。
為了觸發(fā)照射單元和/或觀測攝像機，也可設(shè)置一個與投影載體的運動電機耦合的編碼器，使得當相應(yīng)的投影圖案在照射單元與物體之間的光路中對準時進行照射和/或攝像。
為了達到短的測量時間和實現(xiàn)自動化，有利的是，載體的運動連續(xù)進行。
對于投影圖案的形式，可以單獨地或組合地考慮不同的方案。有利的是，投影圖案具有多個類似正弦的、帶有在正弦弧線下方成深色的面積的曲線形狀，多個高斯形的、帶有在高斯鐘下方成深色的面積的曲線形狀，多個拋物線形的、帶有在拋物線段下方成深色的面積的曲線形狀，多個齒形的、帶有在齒下方成深色的面積的曲線形狀，多個被填滿的、彼此排成行的圓，多個被填滿的、彼此排成行的橢圓，多個被填滿的、彼此排成行的菱形，多個被填滿的、彼此排成行的三角形和/或者多個被填滿的、彼此排成行的多邊形。
有利的是，在該載體上有多個投影圖案，這些投影圖案被這樣布置，使得得到對于所選擇的測量方法所必需的移動的條紋、特別是具有確定的條紋粗度及條紋間距的條紋。


下面借助附圖對本發(fā)明進行示例性詳細說明。附圖表示圖1采用直線的載體移動的投影機實施形式的側(cè)視圖；圖2具有借助公知的Dittering方法產(chǎn)生的具有正弦形的亮度分布的圖案的投影圖案的局部的示意圖；圖3a載體靜止時具有正弦形的圖案形狀的投影圖案的投影；圖3b載體運動時圖3a的投影圖案的投影；圖4可能的投影圖案的示例性選擇的視圖；圖5載體的直線實施形式的俯視圖；圖6具有多個被側(cè)向移動地設(shè)置的投影圖案的載體的直線實施形式的俯視圖；圖7根據(jù)本發(fā)明的采用旋轉(zhuǎn)的載體運動的投影單元的實施形式的側(cè)視圖；圖8a具有多個投影圖案的載體的圓的實施形式的俯視圖；圖8b圖8a的俯視圖的放大的局部。
具體實施例方式
圖1中可看到該投影機的一個實施形式的側(cè)視圖。該投影機具有一個可直線運動地設(shè)置在投影機中的載體1，該載體在其表面上具有一個投影圖案2。在投影機中，與載體1鄰接地設(shè)置有一個投影窗3，以便在載體1運動經(jīng)過投影窗3旁邊時照射投影圖案2的部分區(qū)域。為此，照射單元4以在前設(shè)置的透鏡裝置5這樣對準投影窗3和物體6，使得投影圖案2的部分區(qū)域被投影到物體6上。用于投影圖案2的部分區(qū)域的投影窗3由此處于照射單元4與物體6之間的光路7中。透鏡裝置5在此被設(shè)置用于使投影光束扇形展開投射到物體6上。物體6的帶有被投影的投影圖案2的圖像被觀測攝像機攝取并以公知的方式被計算機支持地分析處理。分析處理方法本身不是本發(fā)明的主題，并且，因為形貌測量的測量方法已充分公知，所以下面不再詳細描述。
圖2示意性地示出了借助公知的Dittering方法產(chǎn)生正弦形的亮度分布。在這種方法中，投影圖案的單個投影線又分別由一些細線組成，這些細線的粗度及間距這樣選擇，使得在投影時例如得到正弦形的亮度分布。
圖3a明確示出了施加到載體上的一個示例性的投影圖案2?？梢钥吹蕉鄠€上下設(shè)置的、成深色的正弦全波。而正弦曲線上方的上部區(qū)域是透明的。
如圖3b所示，當載體1在投影機照射期間運動時在物體6上產(chǎn)生條紋結(jié)構(gòu)。
圖4示出了投影圖案2的一些可能的結(jié)構(gòu)的選擇，根據(jù)需要可以單獨地或者組合地使用這些結(jié)構(gòu)。與圖3a中所示的成深色的正弦全波的例子類似，在投影圖案2的所有方案a)至h)中，在載體1上上下布置多個相應(yīng)的圖案形狀。
例如圖4中示出了可考慮的單個結(jié)構(gòu)的選擇，確切地說為a)被填滿的正弦全波b)被填滿的高斯鐘c)被填滿的拋物線d)被填滿的齒形e)被填滿的圓f)被填滿的橢圓g)被填滿的菱形h)被填滿的三角形圖5中可看到載體1的在投影機中直線移動的實施形式的俯視圖。作為投影圖案2例如上下設(shè)置上多個組合的正弦曲線。由于載體1在照射階段期間的移動，投影到物體6上的投影圖案2變得這樣地模糊，使得在圖像中可以看到條紋。因此，投影圖案2必須被構(gòu)造得大于投影窗3。
圖6中可看到載體1的在投影機中直線移動的另一個實施形式的俯視圖。在載體1移動時，投影圖案2a的不同的部分區(qū)域先后被帶到投影窗3中。在連續(xù)移動的情況下，在一段時間之后另一個投影圖案2b的不同的部分區(qū)域被帶到投影窗3中。投影圖案2b在此這樣地構(gòu)造，使得在投影時得到一個按照所選擇的形貌測量的測量方法與投影圖案2a的投影相協(xié)調(diào)的移動的條紋結(jié)構(gòu)。
圖7中可看到具有圓的載體1、即一個盤的投影機的實施形式的側(cè)視圖?？梢钥闯?，載體1可繞轉(zhuǎn)動軸線8旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在照射單元4與透鏡裝置5之間的光路7中。該投影機也被這樣定向，使得投影圖案2的一個部分區(qū)域被投影到物體6上。通過盤的旋轉(zhuǎn)運動，投影圖案2的多個單個結(jié)構(gòu)經(jīng)過投影窗3并且作為具有期望的運動模糊的條紋形的圖案被成像到物體6上和一個從由物體6攝取的圖像中。
圖8a中可看到載體1的圓的實施形式、即盤的俯視圖。在一個環(huán)形軌道上，多個投影圖案2設(shè)置在盤1上。在盤繞該盤的轉(zhuǎn)動軸線8旋轉(zhuǎn)時，投影圖案2先后被帶到照射單元4與物體6之間的光路7中的觀測窗3中。這些投影圖案2的單個結(jié)構(gòu)位于環(huán)形軌道上，這些環(huán)形軌道的中心應(yīng)處于盤的回轉(zhuǎn)點8中。
圖8b放大地示出了圖8a的一個部分區(qū)域。在此可以清楚地看到投影窗3連同載體1上的在旋轉(zhuǎn)運動時在投影窗3下面運動經(jīng)過的投影圖案2。
權(quán)利要求
1.用于采用形貌測量的測量方法對物體(6)進行三維光學測量的裝置用的投影機，在該形貌測量的測量方法中攝取并分析處理被投影到物體(6)上的投影圖案(2)的圖像，其中，投影機具有一個照射單元(4)及一個用于投影結(jié)構(gòu)光的、設(shè)置有投影圖案(2)的載體(1)，其特征在于在該載體(1)上設(shè)置一些呈重復(fù)的幾何單個結(jié)構(gòu)的形式的投影圖案(2)，并且該帶有這些投影圖案(2)的載體(1)可這樣運動地設(shè)置，使得在運動和照射期間投影圖案(2)的所選出的區(qū)域移動到照射單元(4)與物體(6)之間的光路(7)中并且通過運動模糊在物體(6)上呈現(xiàn)條紋形的圖案。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影機，其特征在于該載體(1)被這樣地設(shè)計，使得進行該載體(1)的直線移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影機，其特征在于該載體(1)被這樣設(shè)計，使得進行該載體(1)的旋轉(zhuǎn)運動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的投影機，其特征在于在該載體(1)上有多個投影圖案(2)，這些投影圖案被這樣布置，使得得到對于所選擇的測量方法所必需的移動的條紋、特別是具有確定的條紋粗度及條紋間距的條紋。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的投影機，其特征在于為了觸發(fā)該照射單元(4)和/或至少一個觀測攝像機而這樣在該載體(1)上進行標記，使得如果與一個標記對應(yīng)配置的投影圖案(2)在照射單元(4)與物體(6)之間的光路(7)中對準，則進行照射和/或攝像。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的投影機，其特征在于為了觸發(fā)照射單元(4)和/或觀測攝像機而這樣地設(shè)置一個與投影載體(1)的運動電機耦合的編碼器，使得當相應(yīng)的投影圖案(2)在照射單元(4)與物體(6)之間的光路(7)中對準時進行照射和/或攝像。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的投影機，其特征在于該載體(1)的運動連續(xù)進行。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的投影機，其特征在于這些投影圖案(2)具有多個正弦形的、帶有在正弦弧線下方成深色的面積的曲線形狀。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的投影機，其特征在于這些投影圖案(2)具有多個高斯形的、帶有在高斯鐘下方成深色的面積的曲線形狀。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的投影機，其特征在于這些投影圖案(2)具有多個拋物線形的、帶有在拋物線段下方成深色的面積的曲線形狀。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的投影機，其特征在于這些投影圖案(2)具有多個齒形的、帶有在齒下方成深色的面積的曲線形狀。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的投影機，其特征在于這些投影圖案(2)具有多個被填滿的、彼此排成行的圓。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的投影機，其特征在于這些投影圖案(2)具有多個被填滿的、彼此排成行的橢圓。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的投影機，其特征在于這些投影圖案(2)具有多個被填滿的、彼此排成行的菱形。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的投影機，其特征在于這些投影圖案(2)具有多個被填滿的、彼此排成行的三角形。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的投影機，其特征在于這些投影圖案(2)具有多個被填滿的、彼此排成行的多邊形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于采用形貌測量的測量方法對物體(6)進行三維光學測量的裝置用的投影機，在該形貌測量的測量方法中攝取并分析處理被投影到物體(6)上的投影圖案(2)的圖像，其中，投影機具有一個照射單元(4)及一個用于投影結(jié)構(gòu)光的、設(shè)置有投影圖案(2)的載體(1)。本發(fā)明的任務(wù)這樣解決在該載體(1)上設(shè)置一些呈重復(fù)的幾何單個結(jié)構(gòu)的形式的投影圖案(2)，并且該帶有這些投影圖案(2)的載體(1)可這樣運動地設(shè)置，使得在運動和照射期間投影圖案(2)的所選出的區(qū)域移動到照射單元(4)與物體(6)之間的光路(7)中并且通過運動模糊在物體(6)上呈現(xiàn)條紋形的圖案。
文檔編號G03B21/00GK1865847SQ200610088660
公開日2006年11月22日 申請日期2006年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月21日
發(fā)明者姆拉登·戈邁爾奇克, 德特勒夫·溫特 申請人:Gom光學測量技術(shù)有限公司