WO2012171785A1 - Verfahren zur dreidimensionalen vermessung eines körpers und vorrichtung - Google Patents

Verfahren zur dreidimensionalen vermessung eines körpers und vorrichtung Download PDF

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WO2012171785A1
WO2012171785A1 PCT/EP2012/060013 EP2012060013W WO2012171785A1 WO 2012171785 A1 WO2012171785 A1 WO 2012171785A1 EP 2012060013 W EP2012060013 W EP 2012060013W WO 2012171785 A1 WO2012171785 A1 WO 2012171785A1
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PCT/EP2012/060013
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Inventor
Anton Schick
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object

Definitions

  • the invention relates to a method for three-dimensional measurement of a body according to claim 1 and to a measuring device for three-dimensional measurement of a body according to claim 6.
  • Confocal 3D scanners have a low measuring speed compared to triangulation systems.
  • slice by slice 2D images are taken at different focal positions relative to the topography of the object to be measured.
  • the focus position with the highest intensity is determined in pixels, which in turn corresponds to the height of the object pixel.
  • a scan passes rela ⁇ tive lot of time, for example, lies between 200 and 500 ms, there must be added depending on the resolution of the system a variety of Ka ⁇ merarecin and evaluated.
  • the object of the invention is to provide a confocal method for the three-dimensional measurement of a body as well as such a device which is suitable for ensuring this measurement as error-free as possible even during shaking of the scanner or of the body.
  • the solution of the problem consists in a method having the features of claim 1 and a device having the features of patent claim 6.
  • the inventive method according to claim 1 for the three-dimensional measurement of a body is carried out with the following features.
  • First light wherein the light is passed through a Abbil ⁇ dung optics in a measurement volume wherein an image of the point light source matrix is generated in a focus region in the measurement volume is emitted from a point light source ⁇ matrix.
  • the out of focus area backscattered light is again detected by a corresponding to ceremonilichtquel ⁇ lenmatrix point detector matrix.
  • the invention is characterized in that in the measuring volume two focus areas are present each having an image of at least ei ⁇ ner point light source and at least one corresponding point-shaped detector, which are equidistantly moved together through the measuring volume.
  • the point light source matrix thus confocally generates a focus area located in the measurement volume in which the body to be measured is located.
  • the image of the point light source matrix present in the focus area is reflected at the body to be examined and is reflected by a light source
  • the invention differs from this in that not only one focus area passes through the measurement volume, but at least two focus areas are moved or moved together at an equidistant distance through the measurement volume.
  • a standard scan of a confocal 3D scanner takes between 200 ms and 500 ms to pass through a standard measurement volume. fen. During this time, a blurring of the body to be measured or a blurring of the scanner by the operator may occur. The way how this movement, or camera shake is done, that is, the so-calledja- jektorie of the scanner or of the body, can not be determined from the set ⁇ taken images.
  • the time interval comprised between the passing through the first focus portion and the second focus area by a defined participants and trade fair ⁇ ne is relatively short compared to the total scan time, it is preferably between 1 ms and 30 ms.
  • a Ver ⁇ wackelung that has occurred in this short time can be eliminated by comparing the two images that have been recorded so at intervals of 1 ms to 30 ms more preferably between 10 ms and 20 ms in conventional mathematical method.
  • Another component of the invention is a measuring device for three-dimensional measurement of a body according to claim 6. Further features and embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the following figures. These are merely exemplary examples that do not represent a limitation of the scope of protection. Showing:
  • Figure 1 shows a confocal 3D scanning device according to the prior
  • FIG. 2 shows a distortion of a body to be scanned in case of wobbling
  • Figure 3 is a confocal 3D scanning device with two ebe ⁇ nen in the measurement volume
  • Figure 5 shows a body in the measuring volume with different
  • FIG. 6 shows an exemplary representation of two point light source matrices
  • FIG. 7 shows a 3D scanning device with two focal planes in FIG
  • the confocal measuring device 2 has an illumination source 20 whose light beams are passed through a collimating optics 22 and impinge on a pinhole diaphragm 36. Through the pinhole array 36, most of the light beams of the light source 20 is captured from ⁇ , only a small portion passes through the small holes 42 of the pinhole array 36th These small holes 42, through which the light shines through, thus function as point ⁇ light sources.
  • the pinhole array 36 may be referred to as a point light source matrix 4.
  • a point light source matrix 4 can also be produced by another technical device, for example by the splitting of a laser beam by means of diffractive elements or by a laser diode array.
  • the emerging through the point light source matrix 4 light beams 10 are passed through an imaging optical system 6 and in turn focused to a point in a be ⁇ rich 38th
  • the image of all the point light sources of the point light matrix 4 in the focus area 38 is referred to as the image 12 of the point light source matrix 4.
  • This image 12 is reflected by a body 18 contained in a measuring volume 8.
  • the surface area of the body 18 at high light intensity, it is thus reflected, which is located exactly in a measuring plane 46, which in this case with the Fo kus Scheme 38 and thus to each other coincides with the image 12 of the ceremonilichtquel ⁇ lenmatrix.
  • the reflected beams follow the same beam path 10 through the imaging optics 6 and in turn are focused directly in the point light source matrix 4, ie in the pinhole diaphragm 36.
  • the pinhole diaphragm matrix serves as a detector matrix for the realization of punctiform detectors. This focusing of the emitted rays and the reflected rays in the same plane is called convocal.
  • arrows are drawn in both directions, which are intended to illustrate that the beams are conducted in both directions.
  • the reflected beams 10 pass through the pinhole diaphragm 36 and are deflected at a splitter mirror 24, further pass through a second imaging optics 28 and are directed to a camera chip 30, which serves as a detector.
  • the focus area 38 and thus the image 12 is always in a new measurement plane 46, which is why again new areas of the body to be measured from ⁇ are formed and the detector, ie the camera chip 30, are recorded. These respective two-dimensional images are then assembled into an overall image that is three-dimensional.
  • the distance of the measurement planes 46 zueinan ⁇ and thus the number of recorded images ultimately represents the degree of resolution of the three-dimensional image. If the measuring device is manually performed by an operator 2, or when the body is not located in the measuring volume 18 at rest, while an entire scan run can ent ⁇ long the Z-direction 34, which is usually between 200 ms and Takes 500 ms, a strong shake occur.
  • a comparison wackelung is illustrated by Figure 2, by the body 18 is shown once and a shaky image is shown 32 ge ⁇ dashed lines.
  • the detector 30 in this case takes on only the blurred image 32, wherein, is no longer detectable in the Auswer ⁇ processing of images that are taken by the detector 30, whether or not a camera shake is carried out during the scan time. That is, theuploadssstraj ektorie the scanner can not be determined due to the observed images on the chip 30 or only incorrectly.
  • FIG. 3 shows a scanning device 2 based on the invention. It is characterized in that in the measurement volume 8 at least two focus portions 38, 38 'vorlie ⁇ gene that enables parallel to each other are arranged at an equal, so equidistant spacing. In contrast to the embodiment according to FIG. 1, these two focus areas 38 and 38 'with their images 12 and 12' are moved through the measurement volume 8 along the Z-axis 34.
  • the apparatus 2 according to FIGS. 3 and 4 has two point light source matrices 4, 4 'connected behind the beam path 10 on or detector matrices 4, 4', by which the two focus areas 38, 38 'are generated in the measurement volume 8.
  • the use of two NOTEbaummaschinenmatrizes 4, 4 ' is exemplary ⁇ a simple embodiment, the two be ⁇ rich 38, 38' can also be generated by a complex optics with only one point light source matrix.
  • FIG. 4 This movement is based on the figure 4 with the figures 4a to 4d, which represents the passage of the ebe ⁇ NEN 38, 38 'by the measuring volume 8, temporally offset, illustrated ⁇ light.
  • the measuring volumes 8 according to FIGS. A, b, c and d show different positions of the focus areas 38, 38 'as well as the associated images 12, 12' at different times of the measuring process.
  • the scanning process according to FIG. 4a is started in the lowermost region of the measuring volume 8, the images 12 and 12 'being arranged such that the image 12' lies outside the measuring volume. There is a movement Move along the Z-direction 34 in Figure 4 seen upwards.
  • the rays to be reflected are then in turn deflected by a splitter mirror 24 and detected by the camera chip 30. Successive images of the image 12 or 12 'are taken, which can be compared with each other.
  • a defined measuring plane 46 be ⁇ seeks, which is at any point in the measurement volume 8 and passes through the body 18th It should be executed on ⁇ recognized that this is an arbitrary measurement plane from which a two-dimensional image is created.
  • a plurality of images must be taken at a plurality of measurement planes 46.
  • a measurement plane 46 is taken out which provides a two-dimensional image which is shown in the partial images a to e in FIG.
  • the body 18, which is located in the measuring volume 8, is traversed by the images 12, 12 'or on its surface reflected.
  • ⁇ ne 46 traversed by the image of the 12th
  • the measuring plane passes after a ge ⁇ precisely defined time of about 20 ms now 46, by the camera chip 30, a second image 52 of the body 18 at this point, ie at the measuring plane 46, was added.
  • FIG. 5b for example, there has been a movement of the body or of the scanner in the X direction, in the Y direction in FIG. 5c, in FIG. 5d there has been a movement in the positive Z direction, ie in the direction of the scanner and in Fi gur 5e it has a movement gege ⁇ ben in a negative Z-direction.
  • FIG. 6 shows one possible embodiment of two pinhole matrices 36, which function as point light source matrices 4, 4 '.
  • FIG. 7 shows an alternative embodiment of the device 2 or of the corresponding method is given, which is different from the structure shown in Figures 3 and 4 characterized by failed ⁇ det that two separate sub-assemblies 48 and 48 'for He generation ⁇ the ceremonilichtánnmatrizen and for generating the Dot detector matrices are used to record the returned images.
  • Intermediate images 44 and 44 ' are produced between the first imaging optics 6 and the second imaging optics 6', which can be advantageous for optical reasons, but are not absolutely necessary.
  • point light source matrices there are various ways to represent point light source matrices. In the apparatus described here or the method described exemplarily this is one of these possibilities. It is essential that at least two focal planes of a point light source matrix are generated in a measuring volume 8 with two images of a point light source Minim ⁇ least. It may also be expedient to increase the number of focus areas 38, 38 'with the images 12 and 12' in order to improve the error calculations of the images taken by the camera chip 30.
  • Such a confocal three-dimensional scanner can find a variety of applications. Here are in the technical field z. As the measurement of complex small components that are difficult to access, called. However, it is also possible to precisely measure bores which must have a specific geometry. Furthermore, such a scanner, which is usually performed by hand, are also used in the medi ⁇ zinian area, for example when it comes to measuring an auditory canal, a bone or a prosthesis in surgery or a tooth.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen Vermessung eines Körpers (18), wobei Licht von einer Punktlichtquellenmatrix (4) abgestrahlt wird, wobei das Licht durch eine Abbildungsoptik (6) in ein Messvolumen (8) geleitet wird, und ein Abbild (12) der Punklichtquellenmatrix (4) in einem Fokusbereich (38) im Messvolumen (8) erzeugt wird. Die Erfindung besteht darin, dass im Messvolumen (8) zwei Fokusbereiche (38, 38') mit jeweils einem Abbild (12, 12') mindestens einer Punktlichtquellenmatrix (4) vorliegen, die gemeinsam äquidistant durch das Messvolumen (8) bewegt werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zur dreidimensionalen Vermessung eines Körpers und Vorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen Vermessung eines Körpers nach Anspruch 1 sowie eine Messvorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung eines Körpers nach Patentanspruch 6.
Konfokale 3D-Scanner weisen eine, im Vergleich zu Triangulationssystemen, geringe Messgeschwindigkeit auf. In der Regel werden scheibchenweise 2D-Bilder bei verschiedenen Fokuslagen relativ zur Topographie des zu vermessenden Objektes aufge- nommen. Anschließend wird Pixelweise die Fokuslage mit der höchsten Intensität ermittelt, welche wiederum mit der Höhe des Objektpixels korrespondiert. Zwischen der ersten Bildauf¬ nahme und der letzten Bildaufnahme eines Scanns vergeht rela¬ tiv viel Zeit, die beispielsweise zwischen 200 und 500 ms liegt, da je nach Auflösung des Systems eine Vielzahl von Ka¬ merabildern aufgenommen und ausgewertet werden muss.
Bei handgeführten Scannern tritt das Problem auf, dass durch Verwackelung Messunschärfen entstehen können oder dass durch bewusste Bewegung des Scannkopfes in eine Richtung sich die Form eines Objektes verzerrt. Falls die Orientierung und Be- wegungstraj ektorie des Scannkopfes nicht bekannt ist und auch nicht mit genügend hoher Genauigkeit gemessen werden kann, lässt sich die reale 3D-Form eines Objektes nicht ausreichend rekonstruieren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein konfokales Ver¬ fahren zur dreidimensionalen Vermessung eines Körpers sowie eine solche Vorrichtung bereitzustellen, das dazu geeignet ist, diese Messung auch bei Verwackelung des Scanners bzw. des Körpers möglichst fehlerfrei zu gewährleisten. Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
Das erfindungsgemäße Verfahren nach Patentanspruch 1 zur dreidimensionalen Vermessung eines Körpers erfolgt mit folgenden Merkmalen. Zunächst wird Licht von einer Punktlicht¬ quellenmatrix abgestrahlt, wobei das Licht durch eine Abbil¬ dungsoptik in ein Messvolumen geleitet wird, wobei in dem Messvolumen ein Abbild der Punktlichtquellenmatrix in einem Fokusbereich erzeugt wird. Das aus dem Fokusbereich zurück gestreute Licht wird wiederum von einer zur Punktlichtquel¬ lenmatrix korrespondierenden Punktdetektormatrix detektiert. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass im Messvolumen zwei Fokusbereiche mit jeweils einer Abbildung mindestens ei¬ ner Punktlichtquelle und mindestens einem korrespondierenden punktförmigen Detektor vorliegen, die gemeinsam äquidistant durch das Messvolumen bewegt werden.
Die Punktlichtquellenmatrix erzeugt somit in konfokaler Weise einen Fokusbereich, der in dem Messvolumen liegt, in dem der zu vermessende Körper angeordnet ist. Die im Fokusbereich vorliegende Abbildung der Punktlichtquellenmatrix wird an dem zu untersuchenden Körper reflektiert und durch eine zur
Punktlichtquellenmatrix korrespondierenden punktförmigen Detektormatrix aufgenommen. Der Detektor erzeugt wiederum in einer konfokalen Anordnung ein 2D-Bild als Momentaufnahme im Fokusbereich. Mehrere solcher Bilder können so zu einem dreidimensionalen Scannbild zusammengefasst werden. Ein derarti¬ ges, aus konfokalen Aufnahmen zusammengesetztes dreidimensio¬ nales Bild ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt.
Die Erfindung unterscheidet sich davon darin, dass nicht nur ein Fokusbereich das Messvolumen durchläuft, sondern mindestens zwei Fokusbereiche gemeinsam in äquidistantem Abstand durch das Messvolumen verschoben bzw. bewegt werden. Ein üblicher Scann eines konfokalen 3D-Scanners benötigt zwischen 200 ms und 500 ms, um ein übliches Messvolumen zu durchlau- fen. In dieser Zeit kann eine Verwackelung des zu vermessenden Körpers bzw. eine Verwackelung des Scanners durch den Be- diener auftreten. Die Art und Weise, wie diese Bewegung bzw. Verwackelung erfolgt ist, also die so genannte Bewegungstra- jektorie des Scanners bzw. des Körpers, kann aus den aufge¬ nommenen Bildern nicht ermittelt werden.
Durch die Anwendung von zwei äquidistanten Fokusbereichen und Abbildungen in diesen Fokusbereichen kann von einer zu beo- bachtenden Messebene in kurzer Zeit hintereinander zwei Aufnahmen erstellt werden. Es werden somit die Bilder der zu beobachtenden Messebene verglichen, die nacheinander von den zwei Fokusbereichen durchlaufen werden. Der zeitliche Abstand, der zwischen dem Durchlaufen des ersten Fokusbereiches und des zweiten Fokusbereiches durch eine definierte Messebe¬ ne besteht, ist im Vergleich zur Gesamtscannzeit relativ kurz, er beträgt bevorzugt zwischen 1 ms und 30 ms. Eine Ver¬ wackelung, die in dieser kurzen Zeit aufgetreten ist, kann durch den Vergleich von den zwei Bildern, die also im Abstand von 1 ms bis 30 ms besonders bevorzugt zwischen 10 ms und 20 ms aufgenommen wurden, in herkömmlichen mathematischen Verfahren herausgerechnet werden. Durch den Vergleich der Bilder kann die Bewegung des Körpers bzw. des Scanners ermit¬ telt werden, und rechnerisch korrigiert werden.
Weiterer Bestandteil der Erfindung ist eine Messvorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung eines Körpers nach dem Patentanspruch 6. Weitere Merkmale und Ausgestaltungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Hierbei handelt es sich lediglich um exemplarische Beispiele, die keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellen. Dabei zeigen:
Figur 1 eine konfokale 3D-Scannvorrichtung nach dem Stand der
Technik, Figur 2 eine Verzerrung eines zu scannenden Körpers bei Ver- wackelung,
Figur 3 eine konfokale 3D-Scannvorrichtung mit zwei Fokusebe¬ nen im Messvolumen,
Figur 4 eine Messvorrichtung nach Figur 3 in verschiedenen
Stadien des Messvorganges, die durch die Kästchen a, b, c und d gekennzeichnet sind,
Figur 5 einen Körper im Messvolumen mit unterschiedlichen
Fehlermöglichkeiten, die durch die Buchstaben a bis e gekennzeichnet sind,
Figur 6 eine exemplarische Darstellung von zwei Punktlicht¬ quellenmatrizen und
Figur 7 eine 3D-Scannvorrichtung mit zwei Fokusebenen im
Messvolumen .
Anhand von Figur 1 soll schematisch eine konfokale SD-Mess¬ scanneinrichtung und das zugehörige Verfahren nach dem Stand der Technik erläutert werden. Die konfokale Messvorrichtung 2 weist eine Beleuchtungsquelle 20 auf, deren Lichtstrahlen durch eine Kollimationsoptik 22 geleitet werden und auf eine Lochblendenmatrix 36 treffen. Durch die Lochblendenmatrix 36 wird der größte Teil der Lichtstrahlen der Lichtquelle 20 ab¬ gefangen, nur ein kleiner Teil tritt durch die kleinen Löcher 42 der Lochblendenmatrix 36 durch. Diese kleinen Löcher 42, durch die das Licht durchscheint, fungieren somit als Punkt¬ lichtquellen. Somit kann die Lochblendenmatrix 36 als eine Punktlichtquellenmatrix 4 bezeichnet werden. Eine Punktlichtquellenmatrix 4 kann auch durch eine andere technische Vorrichtung, beispielsweise durch das Aufsplitten eines Laserstrahles mittels diffraktiver Elemente oder durch ein Laser- diodenarray, erzeugt werden.
Die durch die Punktlichtquellenmatrix 4 austretenden Lichtstrahlen 10 (Strahlengang) werden durch eine Abbildungsoptik 6 geleitet, und wiederum auf einen Punkt in einem Fokusbe¬ reich 38 fokussiert. Die Abbildung aller Punktlichtquellen der Punktlichtmatrix 4 in dem Fokusbereich 38 wird als Abbild 12 der Punktlichtquellenmatrix 4 bezeichnet. Dieses Abbild 12 wird von einem in einem Messvolumen 8 enthaltenen Körper 18 reflektiert. Es wird also der Oberflächenbereich des Körpers 18 bei hoher Lichtintensität reflektiert, der sich genau in einer Messebene 46 befindet, die in diesem Fall mit dem Fo- kusbereich 38 und somit mit dem Abbild 12 der Punktlichtquel¬ lenmatrix aufeinanderfällt . Die reflektierten Strahlen folgen demselben Strahlengang 10 durch die Abbildungsoptik 6 und werden wiederum direkt in der Punktlichtquellenmatrix 4, also in der Lochblendenmatrix 36, fokussiert. Für die Rückabbil- dung des am Objekt reflektierenden Lichts dient die Lochblendenmatrix als Detektormatrix zur Realisierung punktförmiger Detektoren. Diese Fokussierung der ausgesendeten Strahlen und der reflektierten Strahlen in derselben Ebene wird als konvokal bezeichnet. In dem Strahlengang 10 sind Pfeile in beide Richtungen eingezeichnet, die veranschaulichen sollen, dass die Strahlen in beide Richtungen geleitet werden.
Die reflektierten Strahlen 10 treten durch die Lochblendenmatrix 36 hindurch und werden an einem Teilerspiegel 24 umge- lenkt, verlaufen im Weiteren durch eine zweite Abbildungsop¬ tik 28 und werden auf einen Kamerachip 30 gelenkt, der als Detektor dient.
Hierbei wird erreicht, dass der Fokusbereich 38 und somit das Abbild 12 immer wieder in einer neuen Messebene 46 liegt, weshalb wieder neue Bereiche des zu vermessenden Körpers ab¬ gebildet werden und vom Detektor, also vom Kamerachip 30, aufgenommen werden. Diese jeweiligen zweidimensionalen Bilder werden anschließend zu einem Gesamtbild, das dreidimensional ist, zusammengesetzt. Der Abstand der Messebenen 46 zueinan¬ der und somit die Anzahl der aufgenommenen Bilder stellt letztlich den Auflösungsgrad des dreidimensionalen Bildes dar . Wenn die Messvorrichtung 2 manuell von einem Bediener geführt wird, oder wenn sich der Körper 18 im Messvolumen nicht in Ruhe befindet, kann während eines gesamten Scannlaufes ent¬ lang der Z-Richtung 34, der üblicherweise zwischen 200 ms und 500 ms dauert, eine starke Verwackelung auftreten. Eine Ver- wackelung wird anhand Figur 2 dargestellt, indem der Körper 18 einmal gezeigt ist und eine verwackelte Aufnahme 32 ge¬ strichelt dargestellt ist. Der Detektor 30 nimmt in diesem Fall nur das verwackelte Bild 32 auf, wobei bei der Auswer¬ tung der Bilder, die durch den Detektor 30 aufgenommen werden, nicht mehr feststellbar ist, ob eine Verwacklung während der Scanzeit erfolgt ist. D.h., die Bewegungstraj ektorie des Scanners kann aufgrund der beobachteten Bilder auf dem Chip 30 nicht oder nur fehlerhaft ermittelt werden.
In Figur 3 ist eine Scanvorrichtung 2 dargestellt, die auf der Erfindung basiert. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass im Messvolumen 8 mindestens zwei Fokusbereiche 38, 38' vorlie¬ gen, die parallel zueinander versetzt in einem gleichen, also äquidistanten Abstand angeordnet sind. Im Gegensatz zu der Ausführung nach Figur 1 werden diese beiden Fokusbereiche 38 und 38' mit ihren Abbildern 12 und 12' durch das Messvolumen 8 entlang der Z-Achse 34 bewegt. Die Vorrichtung 2 gemäß Figur 3 und 4 weist zwei bezüglich des Strahlengangs 10 hinter¬ einander geschaltete Punktlichtquellenmatrizen 4, 4' auf bzw. Detektormatrizen 4, 4', durch die die zwei Fokusbereiche 38, 38' im Messvolumen 8 erzeugt werden. Bei der Verwendung von zwei Punktlichtquellenmatrizes 4, 4' handelt es sich exempla¬ risch um eine einfache Ausgestaltungsform, die zwei Fokusbe¬ reiche 38, 38' können auch durch eine aufwändige Optik auch mit nur einer Punktlichtquellenmatrix erzeugt werden.
Diese Bewegung ist anhand der Figur 4 mit den unter Figuren 4a bis 4d, die zeitlich versetzt den Durchlauf der Fokusebe¬ nen 38, 38' durch das Messvolumen 8 darstellt, veranschau¬ licht. Die Messvolumen 8 nach den Figuren a, b, c und d zeigen verschiedene Positionen der Fokusbereiche 38, 38' sowie die zugehörigen Abbildungen 12, 12' zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Messvorgangs. Gestartet wird der Scanvorgang gemäß Figur 4a im untersten Bereich des Messvolumens 8, wobei die Abbilder 12 und 12' so angeordnet sind, dass das Abbild 12' außerhalb des Messvolumens liegt. Es erfolgt eine Bewe- gung entlang der Z-Richtung 34 in Figur 4 gesehen nach oben. In Figur 4b durchlaufen die Fokusbereiche 38 und 38' gleich¬ mäßig in äquidistantem Abstand den Körper 18, der hier exemplarisch als eine Schraube dargestellt ist. Diese Bewegung erfolgt so lange, bis das gesamte Messvolumen 8 von den bei¬ den Fokusbereichen 38 mit den Abbildern 12 und 12' durchlaufen ist. Sowohl das Abbild 12 als auch das Abbild 12' sind konfokal zu jeweils einer Punktlichtquellenmatrix 4 bzw. 4' bzw. einer Punktdetektormatrix 4, 4' angeordnet. Das Abbild 12 wird demnach reflektiert und konfokal in die Punktlicht¬ quellenmatrix 4 bzw. Punktdetektormatrix 4 fokussiert, genau so wie dies mit dem Abbild 12' bezüglich der Punktlichtquel¬ lenmatrix 4' und der korrespondierenden Punktdetektormatrix 4 geschieht. Hierbei werden in Figur 4 bezüglich des Strahlen- ganges 10 zwei hintereinander angeordnete Punktlichtquellen 4 bzw. Punktdetektormatrizen 4 dargestellt.
Die zu reflektierenden Strahlen werden nun wiederum durch einen Teilerspiegel 24 umgelenkt und von dem Kamerachip 30 er- fasst. Es werden nacheinander Bilder des Abbildes 12 bzw. 12' aufgenommen, die miteinander verglichen werden können.
Anhand der Figur 5 wird diese sequentielle Darstellung der Bilder, die vom Kamerachip 30 aufgenommen werden, näher er- läutert. Es wird hierbei eine definierte Messebene 46 be¬ trachtet, die an einer beliebigen Stelle im Messvolumen 8 liegt und durch den Körper 18 verläuft. Es sei darauf hinge¬ wiesen, dass es sich hierbei um eine willkürliche Messebene handelt, von der ein zweidimensionales Bild erstellt wird. Um den gesamten Körper 18 dreidimensional darzustellen, müssen selbstverständlich eine Vielzahl von Bildern an einer Vielzahl von Messebenen 46 aufgenommen werden. Hierbei wird lediglich exemplarisch eine Messebene 46 herausgenommen, die ein zweidimensionales Bild liefert, das in den Teilbildern a bis e in Figur 5 dargestellt ist.
Der Körper 18, der sich im Messvolumen 8 befindet, wird von den Abbildern 12, 12' durchlaufen bzw. an dessen Oberfläche reflektiert. Zunächst wird dabei die zu betrachtende Messebe¬ ne 46 von dem Abbild 12 durchlaufen. Dieses reflektiert gemäß Figur 3 oder 4 die Strahlen, die letztendlich durch den Kamerachip 30 aufgenommen werden, und die ein erstes Bild 50 des Körpers 18 an diese Messebene 46 liefern. Wenn nach einer ge¬ nau definierten Zeit von etwa 20 ms nun die zweite Abbildung 12' die Messebene 46 durchläuft, wird durch den Kamerachip 30 ein zweites Bild 52 des Körpers 18 an dieser Stelle, also an der Messebene 46, aufgenommen. Hat sich der Körper 18 in die- ser genau festgelegten Zeit, in der die Abbilder 12 und 12' nacheinander durch die Messebene 46 bewegt werden, nicht be¬ wegt, so sind die beiden Bilder, also das erste Bild 50 aus der ersten Abbildung 12 und das zweite Bild 52 aus der Abbil¬ dung 12', wie in Figur 5a dargestellt, gleich. Hat sich der Körper oder der Scanner während dieser kurzen Zeit bewegt, so wird das zweite Bild gegenüber dem ersten Bild verzerrt oder versetzt sein, woraus sich eine verzerrte Abbildung des Kör¬ pers 18 ergibt. Je nachdem, wie sich die Verwackelung ergeben hat und in welche Richtung verwackelt wurde, ergeben sich verschiedene verzerrte oder versetzte Aufnahmen im zweiten
Bild 52. In Figur 5b beispielsweise hat es eine Bewegung des Körpers oder des Scanners in X-Richtung gegeben, in Figur 5c in Y-Richtung, in Figur 5d hat es eine Bewegung in positiver Z-Richtung, also in Richtung des Scanners, gegeben und in Fi- gur 5e hat es eine Bewegung in eine negative Z-Richtung gege¬ ben .
Für jede Messebene 46, von denen es je nach Genauigkeit des dreidimensionalen Scanners mehrere 100 geben kann, werden al- so zwei Bilder aufgenommen, wobei das erste Bild 50 und das zweite Bild 52 miteinander verglichen werden. Gemäß den Figuren 5a bis 5e kann im Vergleich der einzelnen Bilder 50, 52 genau die Bewegungstraj ektorie des Scanners bzw. des Scanners bezüglich des zu untersuchenden Körpers 18 ermittelt werden. Die so ermittelten Fehler können wiederum rechnerisch aus dem ersten Bild korrigiert werden, so dass letztendlich durch Zusammensetzen der einzelnen Bilder, die in den Messebenen 46 angefertigt worden sind, ein genaues Abbild des Körpers gege¬ ben werden kann und die Verwackelung eliminiert werden kann.
In Figur 6 ist eine mögliche Ausgestaltungsform von zwei Lochblendenmatrizes 36, die als Punktlichtquellenmatrizes 4, 4' fungieren, gegeben. Die Lochblendenmatrizes 36 und 36' weisen jeweils abwechselnd kleine Löcher 42, die als eigent¬ liche Punktlichtquelle bzw. Punktdetektor dienen, und große Löcher 40 auf. Werden die beiden Matrizes 36 und 36' überein- ander gelegt, so liegt jeweils ein kleines Loch 42 der einen Matrix und ein großes Loch 40 der anderen Matrix übereinander. So ist gewährleistet, dass jeweils das als Punktlicht¬ quelle dienende kleine Loch 42 durch das große Loch 40 der anderen Matrix hindurchleuchten kann und die reflektierten Strahlen auch wieder durch dieses große Loch zu dem kleinen Loch 42 hindurchstrahlen können.
In Figur 7 ist eine alternative Ausgestaltungsform der Vorrichtung 2 bzw. des dazugehörigen Verfahrens gegeben, das sich von dem Aufbau gemäß Figur 3 und 4 dadurch unterschei¬ det, dass zwei separate Teilvorrichtungen 48 und 48' zur Er¬ zeugung der Punktlichtquellenmatrizen und zur Erzeugung der Punktdetektormatrizen zur Aufnahme der zurückgestrahlten Bilder dienen. Es sind analog auch ein Umlenkspiegel 24 und ein Teilerspiegel 24' vorgesehen und eine zweite Abbildungsoptik 6' . Zwischen der ersten Abbildungsoptik 6 und der zweiten Abbildungsoptik 6' werden Zwischenabbildungen 44 und 44' erzeugt, die aus optischen Gründen vorteilhaft sein können, aber nicht zwingend notwendig sind. Ebenso könnte durch eine andere räumliche Anordnung der Teilvorrichtung 48 der Umlenkspiegel 24 entfallen. Es wird erwähnt, dass es sich um ver¬ schiedenste Ausführungsformen von Teilerspiegeln handeln kann, also polarisierend, nicht polarisierend und dichroi- tisch .
Es sei darauf hingewiesen, dass es verschiedene Möglichkeiten gibt, Punktlichtquellenmatrizes darzustellen. Bei der hier beschriebenen Vorrichtung bzw. dem beschriebenen Verfahren handelt es sich exemplarisch um eine dieser Möglichkeiten. Wesentlich ist, dass in einem Messvolumen 8 mindestens zwei Fokusebenen mit zwei Abbildern einer Punktlichtquelle mindes¬ tens einer Punktlichtquellenmatrix erzeugt werden. Dabei kann es auch zweckmäßig sein, die Anzahl der Fokusbereiche 38, 38' mit den Abbildern 12 und 12' noch zu erhöhen, um die Fehlerberechnungen der Bilder, die durch den Kamerachip 30 aufgenommen werden, zu verbessern.
Ein derartiger konfokaler dreidimensionaler Scanner kann eine Vielzahl von Anwendungen finden. Hierbei seien im technischen Bereich z. B. die Vermessung von komplexen kleinen Bauteilen, die schwer zugänglich sind, genannt. Es können jedoch auch Bohrungen, die eine bestimmte Geometrie aufweisen müssen, hiermit exakt vermessen werden. Ferner kann ein derartiger Scanner, der in der Regel von Hand geführt ist, auch im medi¬ zinischen Bereich eingesetzt werden, wenn es beispielsweise darum geht, einen Gehörkanal, einen Knochen oder einer Prothese in der Chirurgie oder einen Zahn zu vermessen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur dreidimensionalen Vermessung eines Körpers (18), bei dem Licht von einer Punktlichtquellenmatrix (4) ab- gestrahlt wird, wobei das Licht durch eine Abbildungsoptik
(6) in ein Messvolumen (8) geleitet wird, und ein Abbild (12) der Punklichtquellenmatrix (4) in einem Fokusbereich (38) im Messvolumen (8) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Messvolumen (8) zwei Fokusbereiche (38, 38') mit jeweils ei- nem Abbild (12, 12') mindestens einer Punktlichtquellenmatrix (4) vorliegen, die gemeinsam äquidistant durch das Messvolumen (8) bewegt werden, wobei die jeweilige, zu betrachtende Messebene (46) von den Fokusbereichen (38, 38') in einem zeitlichen Abstand durchlaufen wird, der zwischen 1 ms und 30 ms .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Punktlichtquellenmatrizes (4, 4') zur Erzeugung von je¬ weils einem Fokusbereich (38, 38') mit einem Abbild (12, 12') verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktlichtquellenmatrix (4, 4') in Form einer Lochblendenmatrix ausgestaltet ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Abbilder (12, 12') in den zwei Fokusbereichen (38, 38') von mindestens einer punktförmigen Detektormatrix (30) aufgenommen werden, wo- bei jeweils die Abbilder (12, 12') miteinander verglichen werden, die einer definierten Messebene (46) zuzuordnen sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige, zu betrachtende Messebene (46) von den Fokusbereichen (38, 38') in einem zeitlichen Abstand durchlaufen wird, der zwischen 10 ms und 20 ms liegt.
6. Messvorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung eines Körpers (18) mit einer Punktlichtquellenmatrix (4), einer Abbildungsoptik (6) sowie einem Messvolumen (8), wobei Lichtstrahlen (10) von der Punktlichtquellenmatrix (4) durch die Abbildungsoptik (6) verlaufen und im Messvolumen (8) in einem Fokusbereich (38) ein Abbild (12) der Punktlichtquellenmatrix (4) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass im Messvolumen (8) in einem zweiten Fokusbereich (38') ein zweites Abbild (12') erzeugt wird, wobei die Abbilder gemeinsam äquidistant ver- schiebbar sind.
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