Title:
Messvorrichtung zur Durchführung einer interferometrischen Messung mittels Laserstrahlung
Kind Code:
U1


Abstract:

Messvorrichtung zur Durchführung einer interferometrischen Messung mittels Laserstrahlung, mit einer oder mehreren Laserstrahlquellen zum Erzeugen zumindest eines Laserstrahls als Messstrahl und zumindest einem Referenzstrahl, einem Detektor, einer Auswerteeinheit, welche mit dem Detektor zum Auswerten von Messsignalen des Detektors verbunden ist und einer Strahlrichteinheit (2), wobei die Messvorrichtung ausgebildet ist, den Messstrahl mittels der Strahlrichteinheit auf mehrere ortsverschiedene Messpunkte auf dem Messobjekt (4) zu richten und den zumindest teilweise von dem Messobjekt reflektierten oder gestreuten Messstrahl mit dem Referenzstrahl auf einer Detektionsfläche des Detektors zu überlagern, so dass mittels des Detektors ein Überlagerungs- oder Interferenzsignal zwischen Mess- und Referenzstrahl messbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung zumindest eine Bildaufnahmeeinheit (6) zum Aufnehmen einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern zumindest einer Messoberfläche des Messobjekts (4) aus unterschiedlichen Perspektiven aufweist, dass die Messvorrichtung eine Steuereinheit (5) aufweist, welche ausgebildet ist, ein dreidimensionales Modell zumindest der Messoberfläche des Messobjekts (4) mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern der Messoberfläche zu erstellen und mittels des dreidimensionalen Modells einen Abgleich der Strahlrichteinheit (2) durchzuführen, um einem durch den Laserstrahl beaufschlagbaren Messpunkt auf der Messoberfläche korrespondierende Steuerparameter für die Strahlrichteinheit (2) zuzuordnen. embedded image




Application Number:
DE202018104050U
Publication Date:
07/26/2018
Filing Date:
07/13/2018
Assignee:
Polytec GmbH, 76337 (DE)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
Lemcke, Brommer & Partner, Patentanwälte Partnerschaft mbB, 76135, Karlsruhe, DE
Claims:
Messvorrichtung zur Durchführung einer interferometrischen Messung mittels Laserstrahlung, mit einer oder mehreren Laserstrahlquellen zum Erzeugen zumindest eines Laserstrahls als Messstrahl und zumindest einem Referenzstrahl, einem Detektor, einer Auswerteeinheit, welche mit dem Detektor zum Auswerten von Messsignalen des Detektors verbunden ist und einer Strahlrichteinheit (2), wobei die Messvorrichtung ausgebildet ist, den Messstrahl mittels der Strahlrichteinheit auf mehrere ortsverschiedene Messpunkte auf dem Messobjekt (4) zu richten und den zumindest teilweise von dem Messobjekt reflektierten oder gestreuten Messstrahl mit dem Referenzstrahl auf einer Detektionsfläche des Detektors zu überlagern, so dass mittels des Detektors ein Überlagerungs- oder Interferenzsignal zwischen Mess- und Referenzstrahl messbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung zumindest eine Bildaufnahmeeinheit (6) zum Aufnehmen einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern zumindest einer Messoberfläche des Messobjekts (4) aus unterschiedlichen Perspektiven aufweist, dass die Messvorrichtung eine Steuereinheit (5) aufweist, welche ausgebildet ist, ein dreidimensionales Modell zumindest der Messoberfläche des Messobjekts (4) mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern der Messoberfläche zu erstellen und mittels des dreidimensionalen Modells einen Abgleich der Strahlrichteinheit (2) durchzuführen, um einem durch den Laserstrahl beaufschlagbaren Messpunkt auf der Messoberfläche korrespondierende Steuerparameter für die Strahlrichteinheit (2) zuzuordnen.

Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung ausgebildet ist,
A) eine Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern zumindest einer Messoberfläche des Messobjekts (4) aus unterschiedlichen Perspektiven aufzunehmen;
B) ein dreidimensionales Modell zumindest der Messoberfläche des Messobjekts (4) mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern der Messoberfläche zu erstellen;
C) den Laserstrahl auf zumindest drei ortsverschiedene Abgleichpunkte auf der Messoberfläche mittels der Strahlrichteinheit (2) durch Vorgabe von Steuerparametern der Strahlrichteinheit (2) für jeden Abgleichpunkt zu richten;
D) ein oder mehrere ortsaufgelöster Abgleichpunktbilder zu erfassen, so dass jeder Abgleichpunkt in zumindest einem Abgleichpunktbild erfasst ist;
E) Ortskoordinaten des dreidimensionalen Modells zu jedem der mindestens drei Abgleichpunkte mittels der Abgleichpunktbilder und des dreidimensionalen Modells und/oder der dem dreidimensionalen Modell zugrundeliegenden ortsaufgelösten Bilder zuzuordnen;
F) einen Abgleich der Strahlrichteinheit (2) mittels Bestimmen einer Zuordnungsvorschrift abhängig von den Ortskoordinaten der Abgleichpunkte und den jeweils zugeordneten Steuerparametern durchzuführen, um mittels der Zuordnungsvorschrift einem durch den Laserstrahl beaufschlagbaren Messpunkt auf der Messoberfläche korrespondierende Steuerparameter für die Strahlrichteinheit (2) zuzuordnen.

Messvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung eine relativ zu der Strahlrichteinheit (2) ortsfeste Bildaufnahmeeinheit (7) zum Erfassen zumindest eines ortsaufgelösten Bildes der Messoberfläche aufweist.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist, dass in Merkmal D für zumindest einen, bevorzugt für jeden Abgleichpunkt zumindest ein Abgleichpunktbild erfasst wird, während der Laserstrahl auf den Abgleichpunkt trifft, insbesondere dass die Strahlrichteinheit den Laserstrahl bei der Erfassung der Abgleichpunktbilder auf verschiedene Punkte des Messobjekts bewegt.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass in Merkmal E das Zuordnen von Ortskoordinaten des dreidimensionalen Modells zu jedem der mindestens drei Abgleichpunkte mittels einer Lokalisierung der Orte der jeweiligen Abgleichpunkte in jeweils mindestens einem der zugehörigen ortsaufgelösten Abgleichpunktbilder oder im dreidimensionalen Modell der Messoberfläche erfolgt.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass in Merkmal F zusätzlich die jeweilige Strahlrichtung bestimmt wird, mit der der Laserstrahl auf den jeweiligen Messpunkt auf der Messoberfläche auftrifft, insbesondere mittels der Verwendung einer geeigneten Modellierung bzw. Parametrisierung der Wirkung der Strahlrichteinheit auf den Laserstrahlverlauf, bevorzugt mittels eines Strahlrichteinheit-Modells.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass in Merkmal D für jeden Abgleichpunkt zumindest zwei Abgleichpunktbilder aus verschiedenen Perspektiven erfasst werden, insbesondere, dass Merkmal D in Merkmal A integriert ist.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass eine Mehrzahl Abgleichpunktbilder aufgenommen wird, die vom gleichen Ort aus und mit der gleichen Perspektive relativ zu dem Messobjekt (4) erfasst werden,
insbesondere, dass die Abgleichpunktbilder mittels einer relativ zur Strahlrichteinheit (2) ortsfest angeordneten Bildaufnahmeeinheit (7) erfasst werden.

Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass mittels der Abgleichpunktbilder und dem dreidimensionalen Modell eine Zuordnung von Ortskoordinaten des dreidimensionalen Modells zu Bildpunkten zumindest eines Abgleichpunktbildes erfolgt.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass in Merkmal C eine Vorgabe der zumindest drei Abgleichpunkte auf der Messoberfläche erfolgt und der Laserstrahl automatisiert mittels der Strahlrichteinheit (2) auf jeden der drei Abgleichpunkte gerichtet wird, insbesondere, um für jeden Abgleichpunkt ein Abgleichpunktbild zu erfassen, während der Laserstrahl den jeweiligen Abgleichpunkt beaufschlagt.

Messvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass die Vorgabe durch Auswahl, insbesondere manuelle Auswahl, an einem ortsaufgelösten Bild der Messoberfläche erfolgt, welches bevorzugt aus der Perspektive des oder der Abgleichpunktbilder erfasst wird.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass vor Merkmal A in einem Merkmal A0 zumindest drei optische Abgleichpunktmarkierungen auf der Messoberfläche aufgebracht werden, insbesondere,
dass in Merkmal E die Zuordnung von Ortskoordinaten zu den Abgleichpunkten mittels automatischer Mustererkennung erfolgt, insbesondere, dass in Merkmal C der Laserstrahl automatisiert mittels der Strahlrichteinheit (2) auf jeden der drei Abgleichpunkte gerichtet wird, um für jeden Abgleichpunkt ein Abgleichpunktbild zu erfassen.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass für einen vorgegebenen Messpunkt auf der Messoberfläche der Auftreffwinkel und/oder die Auftreffrichtung des Laserstrahls bestimmt wird, insbesondere, dass der Auftreffwinkel und/oder die Auftreffrichtung des Laserstrahls mittels der Zuordnungsvorschrift und/oder eines Strahlrichteinheitmodells bestimmt wird.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass in Merkmal B das dreidimensionale Modell mittels Photogrammetrie erstellt wird.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass der Laserstrahl als Messstrahl (3) mittels der Strahlrichteinheit (2) auf einen vorgegebenen Messpunkt auf dem Messobjekt (4) gerichtet wird und der von dem Messobjekt (4) reflektierte und/oder gestreute Messstrahl (3) die Strahlrichteinheit (2) wieder durchläuft und mit einem Referenzstrahl zur Ausbildung einer optischen Interferenz überlagert wird, insbesondere,
dass mittels Auswertung der optischen Interferenz Schwingungsdaten des Messobjekts (4) berechnet werden, insbesondere, dass mittels einer Strahlquelle, insbesondere eines Lasers, ein Ursprungsstrahl erzeugt wird und der Ursprungsstrahl mittels eines Strahlteilers in zumindest den Messstrahl und zumindest den Referenzstrahl aufgespaltet wird.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung einer Mehrzahl von Messköpfen aufweist, insbesondere, dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass Merkmale C, D und F für eine Mehrzahl von Messköpfen, bevorzugt zumindest drei Messköpfen, durchgeführt werden, die jeweils eine Laserstrahlquelle und eine Strahlrichteinheit (2) aufweisen, insbesondere für eine Mehrzahl zueinander ortsfest angeordneter Messköpfe.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Durchführung einer interferometrischen Messung mittels Laserstrahlung.

Zur Durchführung von interferometrischen Messungen an einem Messobjekt sind Messvorrichtungen bekannt, welche eine Strahlquelle, vorzugsweise eine Laserstrahlquelle, einen Detektor, einen Strahlteiler und eine Auswerteeinheit aufweisen. Hierbei wird ein von der Strahlungsquelle erzeugter Ursprungsstrahl mittels des Strahlteilers in einen Mess- und einen Referenzstrahl aufgeteilt. Der Messstrahl wird auf mindestens einen Messpunkt auf dem Messobjekt geleitet, und der zumindest teilweise von dem Messobjekt reflektierte oder gestreute Messstrahl wird mit dem Referenzstrahl auf einer Detektionsfläche des Detektors überlagert, so dass mittels des Detektors ein Überlagerungs- oder Interferenzsignal zwischen Mess- und Referenzstrahl messbar ist.

Der Messstrahl wird mittels der Strahlrichteinheit auf einen vorgegebenen Messpunkt des Messobjekts gerichtet. Der reflektierte und/oder gestreute Messstrahl durchläuft die Strahlrichteinheit nochmals und wird mit dem Referenzstrahl auf dem Detektor zur Ausbildung einer optischen Interferenz überlagert.

Zur Erfassung von Schwingungsdaten von Messobjekten sind solche Messvorrichtungen als Vibrometer, bevorzugt als Laser-Doppler-Vibrometer ausgebildet. Durch die Bewegung oder Schwingung der Objektoberfläche wird die Frequenz des Messstrahls beeinflusst, so dass aus dem Überlagerungssignal von Mess- und Referenzstrahl auf die Bewegung des Objektes, insbesondere die Schwingungsfrequenz der Objektoberfläche rückgeschlossen werden kann.

Solche Vibrometer werden insbesondere dazu verwendet, eine Schwingungsanalyse an mehreren Messpunkten des Messobjekts durchzuführen. Eine solche Messvorrichtung ist in WO 93/15386 beschrieben.

Für eine Vielzahl von Messsituationen ist es wünschenswert, bei den Schwingungsdaten nicht nur Schwingungsfrequenz oder Schwingungsamplitude, sondern auch die Richtung der Schwingung zu bestimmen. Eine interferometrische Messvorrichtung erfasst hingegen immer die Schwingung in Richtung des Messstrahls, wenn der vom Messobjekt gestreute oder reflektierte Messstrahl in sich zurückläuft (d.h. die optische Achse des zum dem Messobjekt hinlaufenden Messstrahls und die optische Achse des von dem Messobjekt rücklaufenden Messstrahls identisch sind) und in Richtung der Winkelhalbierenden, wenn der vom Messobjekt gestreute oder reflektierte Messstrahl unter einem Winkel zum einfallenden Messstrahl zurückläuft (und somit die optische Achse des zum dem Messobjekt hinlaufenden Messstrahls und die optische Achse des von dem Messobjekt rücklaufenden Messstrahls diesen Winkel einschließen).

Üblicherweise werden für Schwingungsmessungen interferometrische Messvorrichtungen eingesetzt, bei denen der vom Messobjekt gestreute oder reflektierte Messstrahl in sich zurückläuft bzw. nahezu in sich zurückläuft. Für diese interferometrischen Messvorrichtungen ist es daher wünschenswert, als Strahlverlauf des Messstrahls den Strahlverlauf der optischen Achse des zu dem Objekt hinlaufenden Messstrahls zu bestimmen, insbesondere den Auftreffwinkel des Messstrahls auf das Objekt am Messpunkt.

Für interferometrische Messvorrichtungen, bei denen einfallender und zurücklaufender Messstrahl einen Winkel zueinander aufweisen, ist es entsprechend wünschenswert, den Verlauf der Winkelhalbierenden am Messpunkt, durch den ja sowohl einfallender Strahl als auch zurücklaufender Strahl als auch Winkelhalbierende verlaufen, zu bestimmen, insbesondere den Winkel der Winkelhalbierenden relativ zum Objekt am Messpunkt.

Die Bezeichnung „Strahlverlauf“ des Messstrahls, insbesondere des Laserstrahls sowie „Bestimmung des Strahlverlaufs“ bezeichnet somit hier und im Folgenden den für die mittels des Messstrahls durchgeführte Messung relevanten Verlauf. Der Strahlverlauf beinhaltet daher bevorzugt die optische Achse des zu dem Messobjekt hinlaufenden Messstrahls, ebenso können jedoch äquivalente Informationen bestimmt werden, insbesondere Informationen zu einer Winkelhalbierenden wie zuvor beschrieben. Zur Vereinfachung der Beschreibung in der vorliegenden Anmeldung wird im Folgenden immer vom Strahlverlauf des Messstrahls, von seinem Auftreffwinkel, etc. gesprochen, wobei dies jedoch immer auch anstelle des Messstrahls auch äquivalente Informationen wie z.B. die vorgenannte Winkelhalbierende mit umfasst.

Es ist wünschenswert, einen Abgleich der Strahlrichteinheit durchzuführen, wobei eine Zuordnungsvorschrift bestimmt wird, welche einem möglichen, mit dem Laserstrahl beaufschlagbaren Messpunkt auf der Messoberfläche des Messobjekts korrespondierende Steuerparameter für die Strahlrichteinheit zuordnet. Bei einem beispielsweise mittels Ortskoordinaten vorgegebenen Messpunkt auf der Messoberfläche können mittels der Zuordnungsvorschrift somit Steuerparameter bestimmt werden, um die Strahlrichteinheit derart zu steuern, dass der Laserstrahl auf den gewünschten Messpunkt auftrifft.

Der Abgleich erfolgt manuell: Sind beispielsweise die Ortskoordinaten von vier Abgleichpunkten in einem gemeinsamen Koordinatensystem bekannt, so kann durch manuelles Steuern der Strahlrichteinheit, sodass der Laserstrahl nacheinander auf jeden der vier Abgleichpunkte trifft, abhängig von den Ortskoordinaten der Abgleichpunkte und den jeweils zugeordneten Steuerparametern einer Zuordnungsvorschrift ermittelt werden. Aus Yanchu Xu, R. N. Miles, „An Identification Algorithm for Directing the Measurement Point of Scanning Laser Vibrometers“, Optics and Lasers in Engineering, 22 (1995), 105 - 120, ist ein Abgleichverfahren bekannt, bei welchem zu vier Abgleichpunkten die Distanz zwischen den Abgleichpunkten sowie die Distanz zwischen der Strahlrichteinheit und einem der Abgleichpunkte gemessen wird und manuell der Laserstrahl der Strahlrichteinheit auf jeden der vier Abgleichpunkte gerichtet wird. Aus den erhaltenen Daten wird eine Zuordnungsvorschrift wie zuvor beschrieben ermittelt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche zur Durchführung eines für den Benutzer vereinfachten Abgleichverfahrens für eine Strahlrichteinheit der interferometrischen Messvorrichtung ausgebildet ist.

Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Messvorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Unteransprüchen.

Die Messvorrichtung weist eine oder mehrere Laserstrahlquellen zum Erzeugen zumindest eines Laserstrahls als Messstrahls und zumindest eines Referenzstrahls, einen Detektor, eine Auswerteeinheit, welche mit dem Detektor zum Auswerten von Messsignalen des Detektors verbunden ist und eine Strahlrichteinheit auf. Die Messvorrichtung ist ausgebildet, den Messstrahl mittels der Strahlrichteinheit auf mehrere ortsverschiedene Messpunkte auf dem Messobjekt zu richten und den zumindest teilweise von dem Messobjekt reflektierten oder gestreuten Messstrahl mit dem Referenzstrahl auf einer Detektionsfläche des Detektors zu überlagern, so dass mittels des Detektors ein Überlagerungs- oder Interferenzsignal zwischen Mess- und Referenzstrahl messbar ist.

Solche Messvorrichtungen sind an sich bekannt und können beispielsweise als Vibrometer ausgebildet sein, um Schwingungsdaten des Messobjekts zu ermitteln.

Wesentlich ist, dass die Messvorrichtung eine Bildaufnahmeeinheit zum Aufnehmen einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern zumindest einer Messoberfläche des Messobjektes aus unterschiedlichen Perspektiven aufweist sowie dass die Messvorrichtung eine Steuereinheit aufweist, welche ausgebildet ist, ein dreidimensionales Modell zumindest der Messoberfläche des Messobjekts mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern der Messoberfläche zu erstellen und mittels des dreidimensionalen Modells einen Abgleich der Strahlrichteinheit durchzuführen, um einem durch den Laserstrahl beaufschlagbaren Messpunkt auf der Messoberfläche korrespondierende Steuerparameter für die Strahlrichteinheit zuzuordnen.

Bevorzugt ist die Messvorrichtung ausgebildet,

  1. A) eine Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern zumindest einer Messoberfläche des Messobjekts (4) aus unterschiedlichen Perspektiven aufzunehmen;
  2. B) ein dreidimensionales Modell zumindest der Messoberfläche des Messobjekts (4) mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern der Messoberfläche zu erstellen;
  3. C) den Laserstrahl auf zumindest drei ortsverschiedene Abgleichpunkte auf der Messoberfläche mittels der Strahlrichteinheit (2) durch Vorgabe von Steuerparametern der Strahlrichteinheit (2) für jeden Abgleichpunkt zu richten;
  4. D) ein oder mehrere ortsaufgelöster Abgleichpunktbilder zu erfassen, so dass jeder Abgleichpunkt in zumindest einem Abgleichpunktbild erfasst ist;
  5. E) Ortskoordinaten des dreidimensionalen Modells zu jedem der mindestens drei Abgleichpunkte mittels der Abgleichpunktbilder und des dreidimensionalen Modells und/oder der dem dreidimensionalen Modell zugrundeliegenden ortsaufgelösten Bilder zuzuordnen;
  6. F) einen Abgleich der Strahlrichteinheit (2) mittels Bestimmen einer Zuordnungsvorschrift abhängig von den Ortskoordinaten der Abgleichpunkte und den jeweils zugeordneten Steuerparametern durchzuführen, um mittels der Zuordnungsvorschrift einem durch den Laserstrahl beaufschlagbaren Messpunkt auf der Messoberfläche korrespondierende Steuerparameter für die Strahlrichteinheit (2) zuzuordnen.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ermöglicht in besonders benutzerfreundlicher Weise einen Abgleich der Strahlrichteinheit durch die beschriebene Zuordnung von korrespondierenden Steuerparametern zu vorgegebenen Messpunkten auf der Messoberfläche durchzuführen.

Die Messvorrichtung ist bevorzugt zur Durchführung eines nachfolgend beschriebenen Verfahrens zum Abgleich einer Strahlrichteinheit der Messvorrichtung ausgebildet. Weiterhin werden anschließend vorteilhafte Ausgestaltungen und (insbesondere in der Figurenbeschreibung) vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Verfahrens beschrieben, welche somit vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung wiedergeben, welche zur Durchführung dieser Verfahren ausgebildet ist. Die Verfahrensschritte dieser Verfahren stellen somit bevorzugte Merkmale vorteilhafter Ausgestaltungen der Messvorrichtung dar.

Das Abgleichverfahren für eine Strahlrichteinheit einer interferometrischen Messvorrichtung zum Richten eines Laserstrahls einer Laserstrahlquelle auf mehrere Messpunkte eines Messobjekts weist folgende Verfahrensschritte auf: In einem Verfahrensschritt A erfolgt ein Aufnehmen einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern zumindest einer Messoberfläche des Messobjekts aus unterschiedlichen Perspektiven. In einem Verfahrensschritt B erfolgt ein Erstellen eines dreidimensionalen Modells zumindest der Messoberfläche des Messobjekts mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern der Messoberfläche. In einem Verfahrensschritt C erfolgt ein Richten des Laserstrahls auf zumindest drei ortsverschiedene Abgleichpunkte auf der Messoberfläche mittels der Strahlrichteinheit durch Vorgabe von Steuerparametern der Strahlrichteinheit für jeden Abgleichpunkt. In einem Verfahrensschritt D erfolgt ein Erfassen eines oder mehrerer ortsaufgelöster Abgleichpunktbilder, sodass jeder Abgleichpunkt in zumindest einem Abgleichpunktbild erfasst ist. In einem Verfahrensschritt E erfolgt ein Zuordnen von Ortskoordinaten des dreidimensionalen Modells zu jedem der mindestens drei Abgleichpunkte mittels der Abgleichpunktbilder und des dreidimensionalen Modells und/oder der dem dreidimensionalen Modell zugrundeliegenden ortsaufgelösten Bilder. In einem Verfahrensschritt F erfolgt ein Durchführen eines Abgleichs der Strahlrichteinheit mittels Bestimmen einer Zuordnungsvorschrift abhängig von den Ortskoordinaten der Abgleichpunkte und den jeweils zugeordneten Steuerparametern, um mittels der Zuordnungsvorschrift einen durch den Laserstrahl beaufschlagbaren Messpunkt auf der Messoberfläche korrespondierende Steuerparameter für die Strahlrichteinheit zuzuordnen.

Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, dass die vorangehend beschriebenen Verfahrensschritte in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden und/oder Verfahrensschritte kombiniert werden und/oder ein Verfahrensschritt in einen anderen Verfahrensschritt integriert wird.

Das Verfahren erfüllt somit den Zweck, bei einer interferometrischen Messvorrichtung, deren mittels einer Laserstrahlquelle erzeugter Laserstrahl mittels einer Strahlrichteinheit auf mehrere Messpunkte eines Messobjekts gerichtet wird, einen Abgleich der Strahlrichteinheit durchzuführen. Der Abgleich erfolgt abhängig von Ortskoordinaten von Abgleichpunkten auf der Messoberfläche des Messobjekts und von den Abgleichpunkten jeweils zugeordneten Steuerparametern. Die einem Abgleichpunkt zugeordneten Steuerparameter sind diejenigen Steuerparameter, bei deren Vorgabe ein Richten des Laserstrahls mittels der Strahlrichteinheit auf den zugeordneten Abgleichpunkt erfolgt.

Zur Durchführung einer Messung können somit mehrere, durch den Laserstrahl beaufschlagte Messpunkte auf dem Messobjekt vorgegeben werden, beispielsweise durch Vorgabe der Ortskoordinaten der Messpunkte. Mittels der Zuordnungsvorschrift sind für jeden Messpunkt zugeordnete Steuerparameter bestimmbar, sodass bei Vorgabe dieser Steuerparameter der Laserstrahl mittels der Strahlrichteinheit auf den jeweiligen Messpunkt gerichtet wird.

Im Gegensatz zu den eingangs genannten vorbekannten Verfahren ist das Verfahren für den Benutzer einfacher durchführbar, insbesondere bestehen gegenüber den vorbekannten Verfahren weniger Fehlerquellen für den Benutzer, sodass das Risiko einer fehlerhaften Anwendung oder eines ungenauen Abgleichs verringert wird.

Diese Verbesserung wird durch die Verwendung von ortsaufgelösten Bildern zum Erstellen eines dreidimensionalen Modells zumindest der Messoberfläche des Messobjekts sowie zum Zuordnen von Ortskoordinaten des dreidimensionalen Modells zu den Abgleichpunkten erzielt, wie nachfolgend zu einzelnen Verfahrensschritten näher erläutert:

In Verfahrensschritt A werden ortsaufgelöste Bilder zumindest einer Messoberfläche des Messobjekts aus unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen.

Die Aufnahme der ortsaufgelösten Bilder aus verschiedenen Perspektiven ermöglicht eine erheblich genauere Bestimmung von Ortskoordinaten: Bei Aufnahme eines ortsaufgelösten Bildes aus lediglich einer Perspektive können zwar in vielen Messsituationen Ortskoordinaten in zwei Dimensionen bestimmt werden. Für die vorliegende Erfindung ist jedoch insbesondere eine Bestimmung von Ortskoordinaten in drei Dimensionen relevant. Hier weist die Erfindung den besonderen Vorteil auf, dass aufgrund der Aufnahme von ortsaufgelösten Bildern aus unterschiedlichen Perspektiven in Verfahrensschritt A das dreidimensionale Modell gemäß Verfahrensschritt D eine erheblich höhere Genauigkeit insbesondere in drei Raumdimensionen ermöglicht. Hierdurch wird auch die Zuordnung von Ortskoordinaten zu den Abgleichpunkten entsprechend genauer. Die Ausgestaltung des Verfahrensschritts A mittels der Aufnahme von ortsaufgelösten Bildern aus verschiedenen Perspektiven bildet somit die Basis für ein benutzerfreundliches und präzises Abgleichverfahren.

Die Messoberfläche kann eine Teilfläche der Oberfläche eines Messgegenstandes sein. Ebenso können die ortsaufgelösten Bilder zusätzlich den Umgebungsbereich des Messgegenstands umfassen, beispielsweise eine Aufstellfläche für den Messgegenstand und/oder eine Hintergrundfläche. Das Messobjekt kann somit auch einen oder mehrere Messgegenstände und eine oder mehrere Flächen, insbesondere Aufstellflächen oder Hintergrundflächen umfassen. Die Messoberfläche kann somit auch Flächen umfassen, die nicht Oberfläche eines Messgegenstandes sind. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass ein oder mehrere Abgleichpunkte auf einer Fläche angeordnet sind, die nicht Oberfläche eines Messgegenstandes ist, beispielsweise auf einer Hintergrund- oder Aufstellfläche. Bevorzugt umfasst die Messoberfläche zumindest den Bereich des oder der Messgegenstände, in welchem bei einer späteren interferometrischen Messung Messpunkte angeordnet werden sollen. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Messoberfläche zumindest die mittels der Strahlrichteinheit durch den Laserstrahl beaufschlagbare Fläche des Messgegenstandes umfasst.

Nach Durchführung von Verfahrensschritt B liegt ein dreidimensionales Modell zumindest der Messoberfläche des Messobjekts vor. Es ist somit nicht notwendig, dass der Benutzer eigene Messungen vornimmt oder bestimmte Referenzpunkte manuell vorgibt. Ebenso ist es nicht notwendig, anderweitig erstellte dreidimensionale Modelle, wie beispielsweise CAD-Modelle, zusätzlich vorzugeben.

Das Verfahren und die erfindungsgemäße Messvorrichtung ermöglichen darüber hinaus jedoch auch die Verwendung vorbekannter dreidimensionaler Modelle in vorteilhafter Weise: In einigen Messsituationen liegen bereits dreidimensionale Modelle des Messobjekts oder zumindest von Teilen des Messobjekts, insbesondere eines Messgegenstandes vor. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn für die Konstruktion eines Gegenstandes bereits CAD- oder FE-Modelle erstellt wurden. Ebenso können aus anderen Messungen oder vorausgegangenen Abfolgen gemäß der Schritte A und B bereits dreidimensionale Modelle vorhanden sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird ein vorgegebenes, dreidimensionales Modell mit dem in Verfahrensschritt B erstellten dreidimensionalen Modells in Beziehung gesetzt, so dass ein gemeinsames Koordinatensystem besteht und somit Koordinaten aus dem vorgegebenen dreidimensionalen Modell in Koordinaten des in Verfahrensschritt B erstellten dreidimensionalen Modells übertragen werden können und umgekehrt. Dies erfolgt bevorzugt dadurch, dass eines der beiden Modelle an das andere „angefittet“ wird, d. h. dass eine lineare Transformation des einen Modells ins Koordinatensystem des anderen Modells durch einen geeigneten Suchalgorithmus so bestimmt wird, dass die Abweichungen gemäß einer geeigneten Bewertungsfunktion minimal werden.

Insbesondere ist es vorteilhaft, dass der Benutzer bei dem vorgegebenen dreidimensionalen Modell bereits Messpunkte auswählt. Hierdurch kann beispielsweise ein Fachmann, welcher mit der Konstruktion des Messgegenstandes betraut ist, bereits technisch besonders relevante Punkte als Messpunkte in dem vorgegebenen dreidimensionalen Modell kennzeichnen. In dieser vorteilhaften Ausführungsform sind somit auch die Ortskoordinaten dieser vorgegebenen Messpunkte in dem gemäß Verfahrensschritt B erstellten dreidimensionalen Modell bekannt, so dass diesen mittels der Zuordnungsvorschrift entsprechende Steuerparameter zur Durchführung einer Messung an den vorgegebenen Messpunkten zugeordnet werden können.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Ortskoordinaten, an welchen eine Messung durchgeführt wird, in Koordinaten des vorgegebenen Modells übertragen. In dieser vorteilhaften Ausführungsform kann auch bei nachträglich gewählten Ortskoordinaten für Messpunkte bei Ansicht des vorgegebenen dreidimensionalen Modells in einfacher Weise nachvollzogen werden, an welchen Punkten eine Messung erfolgte.

Das dreidimensionale Modell ermöglicht somit in für den Benutzer unaufwendiger Weise die Verwendung eines gemeinsamen Koordinatensystems für alle Punkte zumindest der Messoberfläche durch Vorgabe von Ortskoordinaten. Solche Ortskoordinaten können in an sich üblicher Weise gewählt werden. Insbesondere ist die Verwendung eines kartesischen Koordinatensystems vorteilhaft, ebenso liegt jedoch auch die Verwendung anderer Koordinatensysteme im Rahmen der Erfindung, beispielsweise Zylinderkoordinaten oder Kugelkoordinaten.

In Verfahrensschritt C wird der Laserstrahl auf die zumindest drei ortsverschiedenen Abgleichpunkte mittels der Strahlrichteinheit gerichtet. Hierzu erfolgt für jeden Abgleichpunkt eine Vorgabe von Steuerparametern derart, dass die Strahlrichteinheit bei Anwendung dieser Steuerparameter den Laserstrahl auf den jeweiligen Abgleichpunkt richtet. Aus Verfahrensschritt C ergibt sich somit für jeden Abgleichpunkt eine Zuordnung von Steuerparametern, wobei zu diesem Zeitpunkt die Ortskoordinaten der Abgleichpunkte im dreidimensionalen Modell nicht bekannt sein müssen.

In Verfahrensschritt D wird zumindest ein Abgleichpunktbild erfasst. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die zumindest drei Abgleichpunkte in einem gemeinsamen Abgleichpunktbild erfasst werden. Ebenso kann ein Abgleichpunktbild lediglich einen Abgleichpunkt oder nur eine Teilmenge der Abgleichpunkte erfassen. Basierend auf den Abgleichpunktbildern und dem dreidimensionalen Modell erfolgt die Zuordnung von Ortskoordinaten des dreidimensionalen Modells zu jedem der zumindest drei Abgleichpunkte gemäß Verfahrensschritt E. Es sind somit die Koordinaten der Abgleichpunkte in einem Koordinatensystem des Messobjekts bekannt, ohne dass der Benutzer hierzu manuelle Vermessungen oder eine Vorgabe externer Messdaten vornehmen musste. Eine weitere Erläuterung und vorteilhafte Ausgestaltung des Zuordnens von Ortskoordinaten zu einem Bildpunkt in einem ortsaufgelösten Bild findet sich weiterhin in 6 und der Figurenbeschreibung.

Mittels des Verfahrens werden daher in für den Benutzer unaufwendiger Weise jedem Abgleichpunkt einerseits Steuerparameter und andererseits Ortskoordinaten zugeordnet. Basierend auf diesen Daten kann eine Zuordnungsvorschrift gemäß Verfahrensschritt F zum Durchführen des Abgleichs der Strahlrichteinheit bestimmt werden, sodass zur Durchführung einer Messung an einem gewünschten, durch den Laserstrahl beaufschlagbaren Messpunkt lediglich die Vorgabe der Ortskoordinaten des Messpunktes notwendig ist. Mittels der Zuordnungsvorschrift lassen sich die entsprechenden Steuerparameter berechnen, um mittels der Strahlrichteinheit den Laserstrahl auf diesen Messpunkt zu richten.

Das Verfahren und die erfindungsgemäße Messvorrichtung ermöglichen in benutzerfreundlicher Weise das Bestimmen einer Zuordnungsvorschrift für den Abgleich der Strahlrichteinheit. Hiermit kann somit für vorgegebene Ortskoordinaten von Messpunkten mit hoher Präzision die Ausrichtung des Laserstrahls oder der Laserstrahlen auf diese Messpunkte erfolgen, um Schwingungsmessungen durchführen zu können. In einigen Anwendungen ist es gewünscht, dass für einen vorgegebenen Messpunkt auch der Auftreffwinkel und/oder die Auftreffrichtung des Laserstrahls auf den Messpunkt bestimmt wird. Insbesondere bei einer Schwingungsmessung ist es vorteilhaft, mittels des Auftreffwinkels und/oder der Auftreffrichtung des Laserstrahls die Richtung zu bestimmen, in welcher die Schwingung des Laserstrahls gemessen wird. Hierdurch kann basierend auf den Messdaten auch eine Schwingung des Messobjektes in anderen Richtungen an dem Messpunkt, insbesondere in Richtung einer Flächennormalen an dem Messpunkt, berechnet werden.

Es ist insbesondere vorteilhaft, den Auftreffwinkel und/oder die Auftreffrichtung des Laserstrahls auf den Messpunkt mittels der Zuordnungsvorschrift gemäß Verfahrensschritt F zu bestimmen.

Mittels der Zuordnungsvorschrift sind die Steuerparameter bekannt, welche eine entsprechende Steuerung und somit Einstellung der Strahlrichteinheit bewirken, so dass der Laserstrahl auf den gewünschten Messpunkt auftrifft. Ist nun zusätzlich bekannt, wie die Steuerparameter sich auf den Strahlverlauf des Laserstrahls im Raum auswirken, so kann für die durch die Zuordnungsvorschrift ermittelten Steuerparameter auch der Auftreffwinkel oder die Auftreffrichtung des Laserstrahls auf dem Messobjekt berechnet werden.

Vorteilhafterweise wird bei dem Verfahren ein Strahlrichteinheit-Modell verwendet, insbesondere, um wie zuvor beschrieben den Auftreffwinkel oder die Auftreffrichtung des Laserstrahls auf dem Messobjekt zu berechnen:

Um gemäß Verfahrensschritt F die Zuordnungsvorschrift zwischen den durch den Laserstrahl beaufschlagbaren Messpunkten auf der Messoberfläche und den korrespondierenden Steuerparametern für die Strahlrichteinheit zu bestimmen, ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Strahlrichteinheit-Modell vorgegeben wird, das eine Zuordnung zwischen den Steuerparametern der Strahlrichteinheit und dem Laserstrahlverlauf in einem relativ zur Strahlrichteinheit festen Strahlrichteinheit-Koordinatensystem und umgekehrt angibt.

Ein solches Strahlrichteinheit-Modell liegt beispielsweise vor oder ist leicht zu beschaffen, wenn die Strahlrichteinheit den Laserstrahlverlauf in einem oder mehreren Winkeln verändert, z. B. mit Hilfe von kippbaren Spiegeln etc. Die Steuerparameter der Strahlrichteinheit sind hier die eingestellten Kippwinkel der Spiegel etc. bzw. haben einen direkten Bezug hierzu, und der Laserstrahlverlauf relativ zum Strahlrichteinheit-Koordinatensystem kann aufgrund eines mathematischen Modells der Strahlrichteinheit oder auf Basis von Kalibrierungsmessungen als Funktion der Steuerparameter angegeben werden. Ähnliches ist ebenso für alle anderen Arten von Strahlrichteinheiten möglich, beispielsweise kann bei der Verwendung von Linearverschiebeeinheiten der Laserstrahlverlauf in Abhängigkeit der jeweiligen Verschiebungen, bei Roboterarmen in Abhängigkeit der Verstellung der Roboterarme etc. jeweils im relativ zur Strahlrichteinheit raumfesten Strahlrichteinheit-Koordinatensystem angegeben werden.

Im einfachsten Fall enthält das Strahlrichteinheit-Modell bis auf die Steuerparameter der Strahlrichteinheit keine weiteren Parameter, von denen der Laserstrahlverlauf relativ zur Strahlrichteinheit abhängt. Dies ist in der Regel dann der Fall, wenn Funktionsweise und Geometrie der Strahlrichteinheit vollständig bekannt sind und dadurch zu jeder definierten Einstellung der Steuerparameter der Laserstrahlverlauf relativ zur Strahlrichteinheit angegeben werden kann. Diese Situation liegt beispielsweise dann vor, wenn die Strahlrichteinheit den Laserstrahl mit Hilfe der beiden einstellbaren Winkel eines kardanisch aufgehängten Spiegels ausrichtet und die Lage des Spiegeldrehpunkts sowie die Ausrichtung des Spiegels im Strahlrichteinheit-Koordinatensystem bekannt sind. Es ist aber durchaus auch möglich, dass das Strahlrichteinheit-Modell neben den Steuerparametern noch weitere, zunächst noch nicht bestimmte Systemparameter enthält, die den Laserstrahlverlauf ebenfalls beeinflussen. Im angegebenen Beispiel des kardanisch aufgehängten Spiegels wäre dies zum Beispiel dann der Fall, wenn aufgrund von Fertigungstoleranzen die Lage des Spiegeldrehpunkts im Strahlrichteinheit-Koordinatensystem nicht ausreichend bekannt wäre. Dennoch lässt sich auch in diesem Fall der Laserstrahlverlauf im Strahlrichteinheit-Koordinatensystem in Abhängigkeit von den Steuerparametern angeben, nur werden hierzu dann noch weitere, zunächst noch nicht bestimmte, aber später zu ermittelnde Systemparameter verwendet, welche im konkreten Beispiel die zunächst noch unbekannten Koordinaten des Spiegeldrehpunkts sein könnten. Das Vorliegen solcher weiterer, zunächst noch nicht bestimmter Systemparameter im Strahlrichteinheit-Modell hat aber keinen Einfluss auf die grundsätzliche Vorgehensweise und die Beschreibung derselben im folgenden; die weiteren zunächst noch nicht bestimmten Systemparameter müssen dann nur ebenfalls ermittelt werden, wie weiter unten genauer ausgeführt wird. Hierzu benötigt man dann in den Verfahrensschritten C und E je nach Situation statt zumindest drei ortsverschiedenen Abgleichpunkten beispielsweise zumindest vier, zumindest fünf oder evtl. sogar zumindest sechs ortsverschiedene Abgleichpunkte. Bevorzugt werden daher bei dem Verfahren zumindest drei, weiter bevorzugt zumindest vier, insbesondere zumindest fünf und höchst insbesondere zumindest sechs ortsverschiedene Abgleichpunkte verwendet.

Liegt ein solches Strahlrichteinheit-Modell vor, das eine Zuordnung zwischen den Steuerparametern der Strahlrichteinheit und dem Laserstrahlverlauf in einem relativ zur Strahlrichteinheit festen Strahlrichteinheit-Koordinatensystem angibt, ist es zur Bestimmung der Zuordnungsvorschrift gemäß Verfahrensschritt F nur noch notwendig, eine geeignete Koordinatentransformation anzugeben zwischen dem Strahlrichteinheit-Koordinatensystem und dem Messobjekt-Koordinatensystem, in dem das in Verfahrensschritt B) ermittelte dreidimensionale Messobjekt-Modell vorliegt. Denn dann lassen sich zu jedem mit dem Laserstrahl beaufschlagbaren Messpunkt mittels seiner Koordinaten im Messobjekt-Koordinatensystem unter Zuhilfenahme dieser Koordinatentransformation auch seine Koordinaten im Strahlrichteinheit-Koordinatensystem angeben, und anhand dieser Koordinaten im Strahlrichteinheit-Koordinatensystem mittels des Strahlrichteinheit-Modells letztendlich auch die Steuerparameter für die Strahlrichteinheit bestimmen, die für die Beaufschlagung des Messpunkts mit Laserlicht benötigt werden.

Die Koordinatentransformation zwischen dem Strahlrichteinheit-Koordinatensystem und dem Messobjekt-Koordinatensystem besteht aus Translationen und Rotationen, die sich bei Verwendung kartesischer Koordinatensysteme mit Hilfe geeigneter Translations- und Rotationsmatrizen beschreiben lassen. Bei andersartigen Koordinatensystemen ist die Beschreibung gegebenenfalls komplexer, jedoch beinhaltet die Koordinatentransformation dennoch die gleichen Translationen und Rotationen. Um die benötigte Koordinatentransformation angeben zu können, müssen im wesentlichen sechs unabhängige Transformationsparameter bestimmt werden, die sich im Fall von kartesischen Koordinatensystemen leicht als drei Translations- und drei Rotationsfreiheitsgrade deuten lassen. Alle Koordinaten im Messobjekt-Koordinatensystem lassen sich unter Verwendung dieser zunächst noch unbekannten Transformationsparameter in Koordinaten des Strahlrichteinheit-Koordinatensystems umrechnen und umgekehrt - allerdings, solange die Transformationsparameter und gegebenenfalls die oben beschriebenen, zunächst noch unbestimmten Systemparameter noch nicht bestimmt sind, nur mit Hilfe eben dieser Parameter parametriert.

Es ist nun die verbleibende Aufgabe des Verfahrensschritts F gemäß dieser vorteilhaften Ausführungsform, die beschriebenen, aber zunächst noch nicht bestimmten Parameter zu ermitteln. Hierzu kann nun eine ausreichende Zahl von Gleichungen verwendet werden, die diese Parameter beinhalten und jeweils voneinander unabhängige Zusammenhänge zwischen ihnen herstellen, so dass sich anhand dieser Gleichungen die gesuchten Parameter auf mathematisch bekannte Weise bestimmen lassen.

Konkret werden für die Bestimmung dieser Parameter die Abgleichpunkte herangezogen, für die gemäß Verfahrensschritt C die Steuerparameter der Strahlrichteinheit bekannt sind. Aufgrund des gegebenen Strahlrichteinheit-Modells liegen für diese Abgleichpunkte die Laserstrahlverläufe im Strahlrichteinheit-Koordinatensystem vor, gegebenenfalls parametrisiert mit den zunächst noch unbekannten Systemparametern. Zusätzlich sind gemäß Verfahrensschritt E die Koordinaten der Abgleichpunkte im Messobjekt-Koordinatensystem bereits vollständig bekannt. Es wird also diejenige Transformation des Strahlrichteinheit-Koordinatensystems in das Messobjekt-Koordinatensystem gesucht, durch die die Laserstrahlverläufe im Strahlrichteinheit-Koordinatensystem so in das Messobjekt-Koordinatensystem transformiert werden, dass die im Messobjekt-Koordinatensystem vorliegenden Abgleichpunkte auf den ins Messobjekt-Koordinatensystem transformierten Laserstrahlverläufen liegen. Für jeden Auftreffpunkt lässt sich somit über den Punkt-Gerade-Abstand eine Bestimmungsgleichung aufstellen. Lösen des hieraus resultierenden Gleichungssystems für ausreichend viele Auftreffpunkte mittels einschlägig bekannter Mathematik ergibt die gesuchte Koordinatentransformation.

Im einfachsten Fall werden hierfür drei und in vielen Fällen vier Abgleichpunkte ausreichen. Praktisch wird man darauf bedacht sein, mehr als die Mindestanzahl an Abgleichpunkten zur Bestimmung der gesuchten Parameter heranzuziehen, da sich die Genauigkeit bei der Bestimmung mit jedem hinzukommenden Abgleichpunkt erhöht. Selbstverständlich wird man bei einem dann überbestimmten System nicht mehr eine geschlossene analytische Lösung suchen, sondern die einschlägigen mathematischen Verfahren zur optimalen Lösung derartiger Gleichungssysteme heranziehen.

Bei der konkreten Umsetzung der Bestimmung der unbekannten Parameter, die zur Durchführung von Verfahrensschritt F benötigt werden, geht man vorteilhafterweise so vor, dass man die unbekannten Parameter zunächst einfach nur schätzt. Mit Hilfe dieser geschätzten Parameter transformiert man die im Strahlrichteinheit-Koordinatensystem vorliegenden Laserstrahlverläufe ins Messobjekt-Koordinatensystem und bestimmt dort deren Distanzen zu den in diesem Koordinatensystem vorliegenden Abgleichpunkten. Hieraus bestimmt man eine Fehlerfunktion, z. B. durch Addition der Distanzquadrate. Mit einem der bekannten numerischen Verfahren zur Minimierung von Fehlerfunktionen werden die Parameter nun so variiert, dass der Wert der Fehlerfunktion minimal wird. Es hat sich gezeigt, dass man als Ergebnis dieser Minimierung sehr gute Werte für die gesuchten Parameter erhält, die sich hervorragend zur Koordinatentransformation zwischen den beiden Koordinatensystemen eignen.

Es sind aber auch andere Verfahren verwendbar, die die beschriebene Koordinatentransformation bzw. die zugehörigen Parameter bestimmen, beispielsweise sind solche auch in Yanchu Xu, R. N. Miles, a.a.O. und WO 93/15386 beschrieben.

Nachdem nun die Koordinatentransformation zwischen dem Messobjekt-Koordinatensystem und dem Strahlrichteinheit-Koordinatensystem vorliegt, lassen sich nun wie bereits beschrieben mittels des Strahlrichteinheit-Modells auch die Steuerparameter für die Strahlrichteinheit bestimmen, die für die Beaufschlagung beliebiger Messpunkte mit Laserlicht benötigt werden. Besonders vorteilhaft ist, dass im konkreten Fall des Vorliegens eines Strahlrichteinheit-Modells neben den Auftreffpunkten des Laserstrahls auf dem Messobjekt sofort auch immer die Auftreffwinkel des Laserstrahls in allen Raumdimensionen bzw. der gesamte Laserstrahlverlauf beim Auftreffen auf das Messobjekt im Messobjekt-Koordinatensystem (oder auch im Strahlrichteinheit-Koordinatensystem) bestimmt werden können, was für Anwendungen in der Vibrometrie, bei der Schwingungen zumeist in drei Raumrichtungen analysiert werden, von erheblichem Vorteil ist.

Es ist zu beachten, dass die bisherige Beschreibung der Vorgehensweise von der besonders bevorzugten Situation ausgegangen ist, dass ein Strahlrichteinheit-Modell vorliegt, das eine Zuordnung zwischen den Steuerparametern der Strahlrichteinheit und dem Laserstrahlverlauf in einem relativ zur Strahlrichteinheit festen Strahlrichteinheit-Koordinatensystem und umgekehrt angibt. Dies ist für die Durchführung des Verfahrensschritts F allerdings nicht unbedingt notwendig:

Selbst wenn ein solches Strahlrichteinheit-Modell nicht vorliegt, ist es dennoch möglich, in Verfahrensschritt F eine Zuordnungsvorschrift zwischen den durch den Laserstrahl beaufschlagbaren Messpunkten und den zugehörigen Steuerparametern für die Strahlrichteinheit anzugeben. Im einfachsten Fall werden in einer vorteilhaften Ausführungsform die Abgleichpunkte in einem geeigneten Raster oder Muster auf der Messoberfläche festgelegt. Indem für jeden Abgleichpunkt die Steuerparameter der Strahlrichteinheit bestimmt werden, können die Steuerparameter für Messpunkte, die zwischen den Abgleichpunkten durch lineare, kubische oder anderweitige Interpolation bestimmt werden. Je dichter die Abgleichpunkte liegen, desto geringer werden die Abweichungen sein. Gerade das Verfahren bietet es durch seine Möglichkeiten zur hochgradigen Automatisierung an, sehr viele Abgleichpunkte dicht auf dem Messobjekt anzuordnen, so dass im Gegensatz zu anderen Verfahren dann ein Strahlrichteinheit-Modell gar nicht mehr benötigt wird, um eine äußerst genaue Zuordnungsvorschrift zwischen den durch den Laserstrahl beaufschlagbaren Messpunkten auf der Messoberfläche und den korrespondierenden Steuerparametern für die Strahlsteuereinheit herzustellen.

in Verfahrensschritt F wird bevorzugt zusätzlich die jeweilige Strahlrichtung bestimmt, mit der der Laserstrahl auf den jeweiligen Messpunkt auf der Messoberfläche auftrifft, insbesondere mittels der Verwendung einer geeigneten Modellierung bzw. Parametrisierung der Wirkung der Strahlrichteinheit auf den Laserstrahlverlauf, bevorzugt mittels eines Strahlrichteinheit-Modells wie zuvor beschrieben.

Das Verfahren verwendet ortsaufgelöste Bilder, welche in Verfahrensschritt A und E erstellt werden. Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, sämtliche ortsaufgelöste Bilder mittels derselben Bildaufnahmeeinheit zu erstellen, insbesondere sowohl Verfahrensschritt A als auch Verfahrensschritt E mittels derselben Bildaufnahmeeinheit durchzuführen. Ebenso liegt die Verwendung unterschiedlicher Bildaufnahmeeinheiten zum Erstellen der ortsaufgelösten Bilder im Rahmen der Erfindung, insbesondere einer ersten Bildaufnahmeeinheit zum Durchführen des Verfahrensschritts A und einer zweiten Bildaufnahmeeinheit zum Durchführen des Verfahrensschritts E.

Als Bildaufnahmeeinheit werden bevorzugt digitale Kameras verwendet, insbesondere Kameras mit einem CCD- oder CMOS-Bildsensor. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, das jeweilige ortsausgelöste Bild mittels eines scannenden Verfahrens zu erstellen: So liegt die Verwendung einer Bildaufnahmeeinheit im Rahmen der Erfindung, bei welcher einzelne Punkte des abzubildenden Objekts zeitlich nacheinander aufgenommen werden und aus einer Mehrzahl separat aufgenommener Punkte ein ortsaufgelöstes Bild zusammengesetzt wird, beispielsweise mittels einer Rechnereinheit.

Die Bildaufnahmeeinheit kann auch eine Beleuchtungseinheit umfassen, die während der Aufnahme von Bildern der Bildaufnahmeeinheit das Messobjekt beleuchtet. So sind Bildaufnahmeeinheiten zum Erfassen der dreidimensionalen Form eines Objekts bekannt, welche eine Musterprojektionseinheit, insbesondere eine Streifenprojektionseinheit und eine Kamera, typischerweise eine Schwarz-Weiß-Kamera umfassen, wobei die Kamera zu einem ortsgenauen Erfassen eines mittels der Projektionseinheit projizierten Lichtmusters auf dem Objekt verwendet wird. Bevorzugt wird eine solche Bildaufnahmeeinheit zur Durchführung von Verfahrensschritt A verwendet.

Besonders bevorzugt umfasst die Bildaufnahmeeinheit auch eine Farbkamera zur Aufnahme eines Farbbildes, um der Oberfläche eines erstellten dreidimensionalen Modells des Objekts, eine realistische, insbesondere farbige und/oder texturierte Abbildung der tatsächlichen Oberfläche des Modells zuzuordnen. Die Verwendung solcher Bildaufnahmeeinheiten ist insbesondere zur Durchführung des Verfahrensschritts A vorteilhaft.

Vorteilhafterweise wird daher eine Bildaufnahmeeinheit verwendet, welche wie zuvor beschrieben eine Projektionseinheit zum Projizieren eines Musters, insbesondere eines Streifenmusters auf das Objekt aufweist und eine zugeordnete Kamera, insbesondere eine Schwarz-Weiß-Kamera. Mit dieser Kamera wird somit bei Projektion des Musters ein ortsaufgelöstes Bild erfasst, so dass aus der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern in an sich bekannter Weise, insbesondere gemäß dem Verfahren der Streifenlichtprojektion, ein dreidimensionales Modell erstellt werden kann. Bevorzugt wird mittels einer weiteren Kamera, insbesondere einer Farbkamera wie zuvor beschrieben gleichzeitig oder in zeitlich kurzem Abstand nach Aufnehmen eines ortsaufgelösten Bildes zusätzlich ein weiteres Kamerabild zum Aufnehmen der Textur des Objekts, insbesondere ein Farbbild aufgenommen, bevorzugt ohne dass eine Streifenprojektion erfolgt. Insbesondere ist es somit besonders vorteilhaft, abwechselnd jeweils ein ortsaufgelöstes Bild mit Streifenprojektion und, insbesondere in zeitlich kurzem Abstand, ohne Projektion des Streifenmusters ein Farbbild aufzunehmen: Die zuvor beschriebene Bildaufnahmeeinheit nimmt in schneller zeitlicher Abfolge sowohl Bilder mit projizierten Streifen wie auch Bilder ohne die Streifen auf. Die Bilder ohne die Streifen enthalten das ortsaufgelöste Aussehen des Messobjekts (Textur). Unterstützt durch den engen zeitlichen Abstand zwischen den Aufnahmen können den durch die Streifenprojektion bestimmten 3D-Koordinaten jeweils Pixel der Textur zugeordnet werden.

Umgekehrt können einem Pixel der Textur 3D-Koordinaten zugeordnet werden. Auf diese Weise kann somit dem dreidimensionalen Modell auch Texturinformation zugeordnet werden, welche den tatsächlichen optischen Eindruck der Oberfläche des Modells entspricht. Vorteilhafterweise werden diese oder eine Auswahl dieser Bilder zur Texturinformation als Abgleichpunktbilder verwendet.

Aufgrund des zeitlich kurzen Abstandes ist die Perspektive und die Position der Bildaufnahmeeinheit bei den zeitgleich oder in schneller zeitlicher Folge aufgenommenen Bildern identisch oder nur geringfügig abweichend, auch wenn beispielsweise der Benutzer mittels eines handgehaltenen Modells dieses relativ zu dem Objekt bewegt.

Ebenso liegt die Verwendung von Bildaufnahmeeinheiten im Rahmen der Erfindung, welche mehrere ortsaufgelöste Bilddetektoren umfassen, wobei durch geeignete Kombination der Bildinformation aus den mehreren Bilddetektoren das ortsaufgelöste Bild der Bildaufnahmeeinheit erstellt wird.

Aufgrund des zeitlich kurzen Abstandes ist die Perspektive und die Position der Bildaufnahmeeinheit bei Abgleichpunktbild und ortsaufgelöstem Bild zu erstellendes dreidimensionalen Modells identisch oder nur geringfügig abweichend, auch wenn beispielsweise der Benutzer mittels eines handgehaltenen Modells dieses relativ zu dem Objekt bewegt.

Ebenso liegt die Verwendung von Bildaufnahmeeinheiten im Rahmen der Erfindung, welche mehrere ortsaufgelöste Bilddetektoren umfassen, wobei durch geeignete Kombination der Bildinformation aus den mehreren Bilddetektoren das ortsaufgelöste Bild der Bildaufnahmeeinheit erstellt wird.

Vorzugsweise weist die Messvorrichtung eine relativ zu der Strahlrichteinheit ortsfeste Bildaufnahmeeinheit zum Erfassen zumindest eines ortsaufgelösten Bildes der Messoberfläche auf. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine Zuordnung von Ortskoordinaten zu Abgleichpunkten gemäß Verfahrensschritt E erfolgen, wie weiter unten näher erläutert.

Die Zuordnung von Ortskoordinaten zu den Abgleichpunkten wird bevorzugt wie folgt durchgeführt: In Verfahrensschritt E wird vorteilhafterweise jeder Abgleichpunkt zunächst in zumindest einem diesen Abgleichpunkt umfassenden Abgleichpunktbild lokalisiert. Die Lokalisierung erfolgt bevorzugt durch Ermitteln der Bildkoordinaten des Abgleichpunktes, einer x,y-Position oder einer Bildpixellokalisierung des Abgleichpunktes im Abgleichpunktbild oder einer Kombination hiervon, insbesondere bevorzugt wie in 6 und der Figurenbeschreibung näher erläutert.

Eine Auswahl eines Abgleichpunktes kann durch Vorgabe einer optisch charakteristischen Struktur durch den Benutzer erfolgen. In einer vorteilhaften Ausführungsform wählt der Benutzer in einem ortsaufgelösten Bild einen Abgleichpunkt aus, beispielsweise durch Anklicken mittels einer Computermaus oder eine vergleichbare Eingabe.

Ebenso liegen andere Formen der Auswahl des Abgleichpunktes in einem ortsaufgelösten Bild im Rahmen der Erfindung:

Vorteilhafterweise erfolgt eine automatische Auswahl zumindest eines Abgleichpunktes, insbesondere bevorzugt aller Abgleichpunkte. Das Verfahren bietet den besonderen Vorteil, dass die Abgleichpunkte vorgebbar sind und dass ein dreidimensionales Modell zumindest der Messoberfläche des Messobjekts vorliegt. Das Verfahren ist daher besonders geeignet, mittels automatisierter Verfahren Abgleichpunkte in dem dreidimensionalen Modell zu lokalisieren. Dies können beispielsweise aufgrund der Struktur, der Form oder der Farbgebung hervorgehobene Punkte sein. Ebenso können aufgrund der Automatisierung auch eine Vielzahl von Abgleichpunkten vorgegeben werden, welche zu einem überbestimmten System führen, so dass mittels an sich bekannter Abgleichverfahren eine höhere Genauigkeit erzielt werden kann. Insbesondere ist es vorteilhaft, automatisiert mehr als 5, bevorzugt mehr als 10, weiter bevorzugt mehr als 50 Abgleichpunkte vorzugeben.

Aufgrund des Zuordnens von Ortskoordinaten des dreidimensionalen Modells zu jedem der mindestens drei Abgleichpunkte gemäß Verfahrensschritt E weist das Verfahren somit insbesondere den Vorteil auf, dass auch Abgleichpunkte an Orten der Messoberfläche verwendet werden können, die sich nicht durch eine besondere Form, Struktur oder Farbgebung hervorheben:

In einer vorteilhaften Ausführungsform werden Ortskoordinaten im dreidimensionalen Modell für zumindest einen, bevorzugt für alle Abgleichpunkte vorgegeben. Der Auftreffpunkt des Laserstrahls wird mittels einer Bildaufnahmeeinheit in einem ortsaufgelösten Bild erfasst. Hierbei kann es notwendig sein, dass der Benutzer manuell zumindest eine Ausrichtung derart vornimmt, dass der Laserstrahl innerhalb des von der Bildaufnahmeeinheit erfassten Bildes liegt. Anschließend wird durch Vorgabe von Steuerparametern der Laserstrahl auf den zuvor ausgewählten Ortspunkt gerichtet. Dies kann erfolgen, auch wenn noch keine Zuordnungsvorschrift gemäß Verfahrensschritt F bestimmt ist, insbesondere durch „Nachregeln“: Mittels an sich bekannter Näherungsverfahren kann mittels Steuerparameter eine Ortsänderung des Auftreffpunktes des Laserstrahls vorgegeben werden und diese wiederrum durch ein ortsaufgelöstes Bild der Bildaufnahmeeinheit erfasst werden. Durch Vergleich der ortsaufgelösten Bilder kann eine Korrektur der Steuerparameter erfolgen, um sich dem gewünschten Ortspunkt anzunähern. Eine Iteration dieser Schritte führt schließlich zu einem Richten des Laserstrahls auf den gewünschten Ortspunkt, so dass auch eine Zuordnung der Ortskoordinaten dieses Punktes zu entsprechenden Steuerparametern erfolgt ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Nachregelns werden im Verlauf der weiteren Beschreibung erläutert.

Für die vorgenannte vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens wird bevorzugt im ortsaufgelösten Bild der Bildaufnahmeeinheit der mittels Ortskoordinaten im dreidimensionalen Modell vorgegebene Abgleichpunkt lokalisiert. Es ist somit vorteilhaft, den Bildpunkten des Bildes der ortsaufgelösten Bildaufnahmeeinheit Ortskoordinaten des dreidimensionalen Modells zuordnen zu können. Auch dies ist im Rahmen des Verfahrens in unaufwendiger Weise möglich, wie weiter unten näher erläutert.

Das ortsaufgelöste Bild stellt somit nach Auswahl bzw. Vorgabe des Abgleichpunktes in diesem Bild ein Abgleichpunktbild für diesen Abgleichpunkt dar. Basierend auf dem Abgleichpunktbild und dem dreidimensionalen Modell können in Verfahrensschritt E dem Abgleichpunkt Ortskoordinaten im dreidimensionalen Modell zugeordnet werden.

Eine weitere Vereinfachung für den Benutzer kann durch Beaufschlagen des Messobjekts mit dem Laserstrahl während zumindest einer Bildaufnahme erzielt werden:

Bei manchen Messoberflächen finden sich optisch deutlich unterscheidbare Strukturen. Diese können durch Unterschiede der Oberfläche in Farbe, Oberflächenart, Oberflächenmaterial oder lokalen geometrischen Strukturen begründet sein, beispielsweise Vor- oder Rücksprünge oder auch vorhandene Markierungen bzw. Unregelmäßigkeiten wie beispielsweise Kratzer.

Solche optisch unterscheidbaren Strukturen begünstigen eine Zuordnung von Ortskoordinaten. Es wurde bisher davon ausgegangen, dass solche Strukturen zwingend notwendig zum Abgleich einer Strahlrichteinheit sind. Das Verfahren und die erfindungsgemäße Messvorrichtung bieten jedoch die Möglichkeit, einen Abgleich auch ohne Rückgriff auf solche Strukturen durchzuführen: Bevorzugt werden die Auftreffpunkte des Laserstrahls auf der Messoberfläche verwendet, um eine Zuordnung von Ortskoordinaten gemäß Verfahrensschritt E durchzuführen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird bei Durchführen des Verfahrensschrittes D zumindest für einen Abgleichpunkt ein ortsaufgelöstes Abgleichpunktbild erfasst, während der Laserstrahl auf diesen Abgleichpunkt auftrifft. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass für jeden Abgleichpunkt zumindest ein Abgleichpunktbild erfasst wird, während der Laserstrahl auf den jeweiligen Abgleichpunkt auftrifft. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Strahlrichteinheit den Laserstrahl bei der Erfassung eines Abgleichpunktbildes, bevorzugt bei Erfassung mehrerer Abgleichpunktbilder auf verschiedene Punkte des Messobjekts bewegt, insbesondere derart, dass jedes Abgleichpunktbild zumindest einen, bevorzugt genau einen durch den Laserstrahl beaufschlagten Abgleichpunkt umfasst.

Vorteilhafterweise wird für jeden Abgleichpunkt jeweils ein Abgleichpunktbild erfasst, während der jeweilige Abgleichpunkt durch den Laserstrahl beaufschlagt ist. Ebenso liegt das Bereitstellen eines Abgleichpunktbildes, in welchem mehrere Abgleichpunkte mittels des Laserstrahls beaufschlagt sind, im Rahmen der Erfindung, beispielsweise durch Mittelung mehrerer Teilbilder.

Da der Abgleichpunkt im erfassten ortsaufgelösten Abgleichpunktbild durch den Laser beaufschlagt ist, kann in besonders einfacher und präziser Weise eine Lokalisierung des Abgleichpunktes im Abgleichpunktbild erfolgen. Es ist somit wie zuvor beschrieben insbesondere nicht notwendig, den Abgleichpunkt an einem Ort zu wählen, welcher durch seine Form, Textur oder Farbe besonders hervorgehoben ist, da es nicht notwendig ist, den Abgleichpunkt in einem Bild der Oberfläche anhand des Auffindens der vorgenannten optischen Strukturmerkmale wiederzufinden.

In dieser vorteilhaften Ausführungsform kann somit eine Zuordnung des Abgleichpunktbildes zu dem dreidimensionalen Modell, insbesondere das Zuordnen einer Perspektive und/oder eines Betrachtungsorts im dreidimensionalen Modells zu dem Abgleichpunktbild mit Hilfe des durch den Laser beaufschlagten Ortspunktes erfolgen. Mittels des Lasers wird somit eine „optische Struktur“ für die Bildverarbeitung geschaffen, so dass optisch deutlich unterscheidbare Strukturen nicht zwingend durch an dem Messobjekt selbst vorhanden sein müssen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird in Verfahrensschritt D für zumindest einen, bevorzugt für jeden Abgleichpunkt zumindest ein Abgleichpunktbild erfasst, während der Laserstrahl auf den Abgleichpunkt trifft. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass im Abgleichpunktbild die Position des Abgleichpunktes durch den auftreffenden Laserstrahl definiert ist. Es kann somit in einfacher Weise durch an sich bekannte Bildanalyseverfahren der Abgleichpunkt im Abgleichpunktbild lokalisiert werden. Insbesondere ist die Verwendung von Mustererkennungsverfahren zur Lokalisierung des Abgleichpunkts im Abgleichpunktbild vorteilhaft.

Für typische Beleuchtungssituationen weist der durch den Laserstrahl beaufschlagte Abgleichpunkt im Abgleichpunktbild eine höhere Intensität, insbesondere größere Helligkeit, verglichen mit den umgebenden Bildpunkten auf. Eine Lokalisierung des Abgleichpunktes erfolgt somit in einer vorteilhaften Ausführungsform durch Lokalisierung des Bildpunktes mit der größten Lichtintensität.

In der Mehrzahl der typischen Messsituationen weist der Laserstrahl eine zu der Oberfläche des Messobjekts unterschiedliche Farbe auf. Eine Lokalisierung des Abgleichpunktes im Abgleichpunktbild erfolgt somit in einer vorteilhaften Ausführungsform durch Lokalisierung eines Farbpunktes in der Farbe des Laserstrahls.

Ebenso kann ein Abgleichpunktbild erfasst werden, bei welchem der Abgleichpunkt nicht durch den Laserstrahl erfasst wird und die Intensitätswerte mit einem weiteren Abgleichpunktbild verglichen werden, bei welchem der Abgleichpunkt durch den Laserstrahl beaufschlagt wird. Insbesondere durch eine ortsaufgelöste Differenzbildung der Helligkeitswerte kann bei Vergleichung der beiden genannten Bilder der Abgleichpunkt lokalisiert werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt eine Lokalisierung des Abgleichpunktes im Abgleichpunktbild daher durch Vergleich, insbesondere Differenzbildung, mit einem weiteren ortsaufgelösten Bild, welches den nicht durch den Laserstrahl beaufschlagten Abgleichpunkt umfasst.

Um wie zuvor beschrieben wiedererkennbare optische Strukturen zu schaffen, ist es insbesondere vorteilhaft, dass für zumindest einen, bevorzugt für alle Abgleichpunkte, mindestens zwei, den Abgleichpunkt umfassende ortsaufgelöste Bilder erfasst werden, während der Abgleichpunkt mittels des Laserstrahls beaufschlagt wird, insbesondere, dass die zumindest zwei Bilder aus unterschiedlichen Perspektiven erfasst werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird für jeden Abgleichpunkt ein separates Abgleichpunktbild erfasst, in welchem ausschließlich der jeweilige Abgleichpunkt durch den Laser beaufschlagt wird. Hierdurch kann in einfacher Weise jeder Abgleichpunkt im zugehörigen Abgleichpunktbild lokalisiert werden.

Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass ein Abgleichpunktbild mehrere durch den Laserstrahl beaufschlagte Abgleichpunkte erfasst.

Das Erfassen des Abgleichpunktbildes, während der Laserstrahl auf den Abgleichpunkt trifft, weist somit den Vorteil einer einfachen Lokalisierung des Abgleichpunktes im Abgleichpunktbild auf. Darüber hinaus sind dem jeweiligen Abgleichpunkt unmittelbar Steuerparameter zugeordnet, nämlich diejenigen Steuerparameter, um den Laserstrahl mittels der Strahlrichteinheit während des Erfassens des Abgleichpunktbildes auf den jeweiligen Abgleichpunkt zu richten.

Ebenso liegt es jedoch auch im Rahmen der Erfindung, ein Abgleichpunktbild zu erfassen, ohne dass der Abgleichpunkt während des Erfassens durch den Laserstrahl beaufschlagt ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird zumindest ein Abgleichpunkt, bevorzugt werden alle Abgleichpunkte, auf der Messoberfläche durch einen optischen Marker gekennzeichnet. Mittels an sich bekannter Mustererkennungsmethoden erfolgt in dieser Ausführungsform die Lokalisierung des Abgleichpunktes im Abgleichpunktbild. Insbesondere ist es vorteilhaft, zur Markierung der Abgleichpunkte optisch voneinander unterscheidbare Marker zu verwenden, sodass jeder Abgleichpunkt eindeutig lokalisiert werden kann, insbesondere auch dann, wenn mehr als ein Abgleichpunkt in einem Abgleichpunktbild erfasst ist.

Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, auch bei Verwendung von optischen Markern während des Erfassens des oder der Abgleichpunktbilder den durch den optischen Marker gekennzeichneten Abgleichpunkt mittels des Laserstrahls zu beaufschlagen. Vorteilhafterweise erfolgt das Erfassen von den durch optische Marker gekennzeichneten Abgleichpunkten ohne Beaufschlagen durch den Laserstrahl und in einem separaten Schritt wird der durch den optischen Marker gekennzeichnete Abgleichpunkt mittels der Strahlrichteinheit durch den Laserstrahl beaufschlagt, um die zugeordneten Steuerparameter der Strahlrichteinheit zu ermitteln. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Marker auf einer Fläche angebracht, welche nicht Oberfläche eines Messgegenstands sind. Das Messobjekt umfasst in diesem Fall - wie eingangs beschrieben - einen oder mehrere Messgegenstände, an welchen beispielsweise Schwingungsdaten ermittelt werden sollen sowie weitere Flächen, auf welchen einer oder mehrere Marker angebracht sind. Die Marker können beispielsweise an einer Hintergrundfläche, insbesondere eine Wand hinter einem Aufstellort für das oder die Messgegenstände angebracht sein.

Vorteilhafterweise erfolgt eine automatische Bestimmung der Steuerparameter mittels Auswertung nacheinander aufgenommener Abgleichpunktbilder aus einer unveränderten Aufnahmeposition, insbesondere einer unveränderten Position der zum Erfassen der Abgleichpunktbilder verwendeten Bildaufnahmeeinheit. Vorzugsweise erfolgt hierbei ein automatisches „Nachregeln“ der Steuerparameter, so dass der Laser auf den optischen Marker auftrifft, insbesondere wie oben beschrieben. Dies wird bevorzugt für jeden der optischen Marker durchgeführt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird mittels des Laserstrahls das Erstellen des dreidimensionalen Modells gemäß Verfahrensschritt B vereinfacht, indem in Verfahrensschritt A der Laserstrahl zumindest bei zwei der in Verfahrensschritt A aufgenommenen ortsaufgelösten Bildern auf einen Ortspunkt, welcher durch beide Bilder erfasst ist, gerichtet wird. Hierdurch wird in Verfahrensschritt B eine Zuordnung dieser beiden Bilder vereinfacht, da in beiden Bildern der typischerweise deutlich sichtbare Laserauftreffpunkt erfasst ist. In dieser vorteilhaften Ausführungsform wurde mittels des Lasers somit eine optische Struktur geschaffen, um das Erstellen eines dreidimensionalen Modells aus der in Verfahrensschritt A erfassten Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern zu erleichtern oder mit höherer Präzision zu ermöglichen.

Dem in einem Abgleichpunktbild erfassten Abgleichpunkt, insbesondere dem im Abgleichpunktbild gemäß einer der vorangehend beschriebenen vorteilhaften Ausführungsform lokalisierten Abgleichpunkt, werden in Verfahrensschritt E Ortskoordinaten des dreidimensionalen Modells zugeordnet.

In einer vorteilhaften Ausführungsform werden in Verfahrensschritt D für jeden Abgleichpunkt zumindest zwei, bevorzugt mindestens drei, insbesondere mindestens fünf Abgleichpunktbilder aus verschiedenen Perspektiven erfasst. Hierdurch wird durch an sich bekannte Bildverarbeitungsverfahren aufgrund des Vorliegens von Bildern aus unterschiedlichen Perspektiven die Zuordnung von Ortskoordinaten zu dem Abgleichpunkt ermöglicht. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass Verfahrensschritt D in Verfahrensschritt A integriert ist. In dieser vorteilhaften Ausführungsform erfolgt somit während des Aufnehmens einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern zumindest an der Messoberfläche des Messobjekts aus unterschiedlichen Perspektiven gemäß Verfahrensschritt A das Erfassen mehrerer ortsaufgelöster Abgleichpunktbilder für zumindest einen, bevorzugt für alle Abgleichpunkte aus unterschiedlichen Perspektiven. In dieser vorteilhaften Ausführungsform sind somit bereits in der in Verfahrensschritt A (mit integriertem Verfahrensschritt D) aufgenommenen Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern die Abgleichpunkte lokalisierbar.

Dies erfolgt bevorzugt mittels Beaufschlagen der Abgleichpunkte mittels der Strahlrichteinheit durch den Laserstrahl während des Aufnehmens der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern und Lokalisieren der Abgleichpunkte insbesondere gemäß einer der vorangegangenen Lokalisierungsmethoden. Mittels der Strahlrichteinheit kann der Laserstrahl typischerweise nicht auf zwei Abgleichpunkte gleichzeitig gerichtet werden. Entsprechend kann bei Überlappung der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern in einem Bereich, in welchem sich ein Abgleichpunkt befindet, ein Teil der Bilder den Abgleichpunkt im durch den Laserstrahl beaufschlagten Zustand und ein Teil der Bilder im nicht durch den Laserstrahl beaufschlagten Zustand aufweisen. Durch an sich bekannte Bildverarbeitungsverfahren kann dennoch auch bei Vorliegen solcher Bilder der Laserpunkt lokalisiert werden. Insbesondere kann in einer bevorzugten Ausführungsform durch Mitteln der Bilder in den Überlappungsbereichen dennoch der Abgleichpunkt lokalisiert werden, insbesondere durch eine der vorgenannten Lokalisierungsmethoden, wie beispielsweise das Auffinden einer erhöhten Lichtintensität und/oder einer dem Laser zugeordneten Farbe und/oder Vergleich zweier Bilder, wobei nur in einem der beiden Bilder der Abgleichpunkt durch den Laserstrahl beaufschlagt ist.

Bei Erfassen von mehreren Abgleichpunktbildern aus verschiedenen Perspektiven, die denselben Abgleichpunkt umfassen, wird bevorzugt in Verfahrensschritt B während des Erstellens des dreidimensionalen Modells auch Verfahrensschritt E mit Zuordnen der Ortskoordinaten des dreidimensionalen Modells zu dem jeweiligen Abgleichpunkt durchgeführt.

In Verfahrensschritt B wird basierend auf der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern das dreidimensionale Modell zumindest der Messoberfläche des Objekts erstellt. Entsprechend können in unaufwendiger Weise für jedes der ortsaufgelösten Bilder jedem Bildpunkt zumindest der Messoberfläche Ortskoordinaten zugeordnet werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt daher bei denjenigen Bildern, welche einen Abgleichpunkt umfassen, eine Lokalisierung des Abgleichpunktes in dem ortsaufgelösten Bild und entsprechende Zuordnung von Ortskoordinaten zu dem Abgleichpunkt. Dabei wird bevorzugt der Abgleichpunkt in den Bildern wie oben beschrieben durch verschiedene Bildverarbeitungsverfahren automatisch detektiert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Mehrzahl Abgleichpunktbilder aufgenommen, die vom gleichen Ort aus und mit der gleichen Perspektive relativ zu dem Objekt erfasst werden.

Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass für alle in einem Abgleichpunktbild lokalisierten Abgleichpunkte die Zuordnung von Ortskoordinaten des dreidimensionalen Modells gemäß Verfahrensschritt E in gleicher Weise erfolgen kann, insbesondere bevorzugt mittels einer Zuordnungsvorschrift für die Abgleichpunktkoordinaten.

Es ist daher vorteilhaft, die Abgleichpunktbilder mittels einer relativ zur Strahlrichteinheit ortsfest angeordneten Bildaufnahmeeinheit zu erfassen. Es ist häufig erwünscht, ein mittels der Bildaufnahmeeinheit erfasstes Bild, insbesondere eine Videoaufnahme des Messobjekts in etwa aus der Perspektive der Strahlrichteinheit zu erhalten. Hierdurch erhält der Benutzer eine realistische Vorstellung der Perspektive, aus welcher die Laserstrahlen zur Durchführung der Messung ausgesandt werden. Typische Strahlrichteinheiten enthalten daher eine ortsfest an der Strahlrichteinheit angeordnete Bildaufnahmeeinheit. Es ist daher insbesondere vorteilhaft, diese Bildaufnahmeeinheit zusätzlich zur Aufnahme des oder der Abgleichpunktbilder zu verwenden. Ebenso kann eine separat in der Nähe der Strahlrichteinheit positionierte Bildaufnahmeeinheit verwendet werden, um ebenfalls einerseits ein Bild des Messobjekts für den Benutzer zu erfassen und andererseits das oder die Abgleichpunktbilder zu erfassen. Beispielsweise kann eine solche Bildaufnahmeeinheit auf einem Stativ neben der Strahlrichteinheit positioniert werden.

Bei Durchführen einer Messung mit Richten des Laserstrahls auf mehrere vorgegebene Messpunkte wird die Strahlrichteinheit relativ zu dem Objekt typischerweise nicht bewegt, da solch eine Relativbewegung zwischen Strahlrichteinheit und Objekt durch eine Veränderung der Zuordnungsvorschrift kompensiert werden müsste. Wenn eine solche Relativbewegung erfolgt, ist es vorteilhaft, erneut einen Abgleich durchzuführen. Sofern die Relativbewegung definiert erfolgte und bekannt ist, kann auch eine rechnerische Korrektur der Zuordnungsvorschrift erfolgen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Messvorrichtung relativ zu dem Objekt in definierter, vorgegebener Weise durch eine Bewegungseinheit bewegt wird, beispielsweise eine Lineartransporteinheit oder einen Roboterarm.

Bei Erfassen mehrerer Abgleichpunktbilder am gleichen Ort und mit der gleichen Perspektive relativ zu dem Messobjekt, erfolgt bevorzugt eine Zuordnung von Ortskoordinaten des dreidimensionalen Modells zu Bildpunkten der Abgleichpunktbilder. Da alle Abgleichpunktbilder in dieser bevorzugten Ausführungsform am gleichen Ort und mit der gleichen Perspektive relativ zu dem Messobjekt erfasst werden, kann eine gemeinsame Zuordnungsvorschrift für Bildpunkte der Abgleichpunktbilder ermittelt werden.

Vorteilhafterweise wird mittels zumindest eines Abgleichpunktbildes der Aufnahmeort für das Abgleichpunktbild bestimmt. Dies erfolgt bevorzugt mittels Vergleich des Abgleichpunktbildes mit mittels des dreidimensionalen Modells berechneten Ansichten des Objekts aus verschiedenen Perspektiven. Hierdurch kann automatisiert der Aufnahmeort der Abgleichpunktbilder im dreidimensionalen Modell bestimmt werden. Ebenso können hierdurch jedem Ort im Abgleichpunktbild Ortskoordinaten im dreidimensionalen Modell zugeordnet werden.

Typischerweise werden digitale Kameras, insbesondere wie zuvor beschrieben Kameras mit einem CCD- oder CMOS-Bildsensor, als Bildaufnahmeeinheit zur Aufnahme der ortsaufgelösten Bilder verwendet, welche eine Vielzahl von Bildpixeln aufweisen. In der zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausführungsform können somit jedem Bildpixel eines Abgleichpunktbildes Ortskoordinaten zugeordnet werden, insbesondere jedem Bildpixel, welches die Messoberfläche zeigt, dreidimensionale Ortskoordinaten auf der Messoberfläche im dreidimensionalen Modell zugeordnet werden. Wie bereits beschrieben, ist diese Zuordnung in der vorgenannten vorteilhaften Ausführungsform für alle Abgleichpunktbilder gleich, sodass deren Bestimmung lediglich einmalig erfolgen muss, um in jedem der Abgleichpunktbilder dem jeweils lokalisierten Abgleichpunkt Ortskoordinaten im dreidimensionalen Modell zuzuordnen.

Vorteilhafterweise erfolgt in Verfahrensschritt C eine Vorgabe der zumindest drei Abgleichpunkte auf der Messoberfläche, und der Laserstrahl wird automatisiert mittels der Strahlrichteinheit auf jeden der drei Abgleichpunkte gerichtet, insbesondere, um für jeden Abgleichpunkt ein Abgleichpunktbild zu erfassen, während der Laserstrahl den jeweiligen Abgleichpunkt beaufschlagt. Die Vorgabe der zumindest drei Abgleichpunkte kann durch den Bediener oder automatisch anhand des in Verfahrensschritt B erstellten dreidimensionalen Modells erfolgen.

In diesem Stadium ist noch kein Abgleich der Strahlrichteinheit erfolgt, das heißt, es kann noch nicht - zumindest nicht mit einer ausreichenden Genauigkeit - bei Vorgabe von Ortskoordinaten eines Abgleichpunktes eine Ermittlung von korrespondierenden Steuerparametern für die Strahlrichteinheit erfolgen. Vorteilhafterweise erfolgt das automatisierte Richten des Ablenkstrahls auf einen Abgleichpunkt daher mittels automatisierter Aufnahme eines Videobildes:

Mittels einer Bildaufnahmeeinheit, insbesondere bevorzugt mittels der zuvor beschriebenen ortsfest relativ zu der Strahlrichteinheit angeordneten Bildaufnahmeeinheit, werden ortsaufgelöste Bilder aufgenommen, welche den Abgleichpunkt und den auf die Messoberfläche auftreffenden Laserstrahl erfassen. Hierzu kann es notwendig sein, dass der Benutzer initial ein Richten des Laserstrahls zumindest auf einen beliebigen Punkt der Messoberfläche durchführt. Dies ist für den Benutzer jedoch in unaufwendiger Weise möglich, da hierfür keine hohe Präzision erforderlich ist.

Auch wenn noch kein Abgleich der Strahlrichteinheit stattgefunden hat, so kann dennoch näherungsweise ein Verschieben der Auftreffposition des Laserstrahls auf dem Objekt durch Veränderung der Steuerparameter erfolgen, insbesondere durch „Nachregeln“: Mittels an sich bekannter Algorithmen kann beispielsweise in einem angenommenen Koordinatensystem eine geringfügige Verschiebung des Laserstrahls in eine beliebige Richtung erfolgen und anschließend mittels Analyse des ortsaufgelösten Bildes überprüft werden, ob die Verschiebung in der korrekten Richtung erfolgt und gegebenenfalls eine Korrektur der Verschiebungsrichtung erfolgen, sodass iterativ auch ohne erfolgten Abgleich der Strahlrichteinheit ein Richten des Messstrahl auf den Abgleichpunkt erfolgt. Ebenfalls mittels des ortsaufgelösten Videobildes kann die Zielsituation erkannt werden, in welcher der Laserstrahl auf den Abgleichpunkt auftrifft. Entsprechend können die dann vorliegenden Steuerparameter diesem Abgleichpunkt zugeordnet werden.

Für die Identifikation/Lokalisierung des Laserstrahls im ortsaufgelösten Bild ist es vorteilhaft, das Bild temporär abzudunkeln (insbesondere durch ein Schließen einer Blende einer Kamera der Bildaufnahmeeinheit und/oder eine Verkürzung der Belichtungszeit) so dass bevorzugt im Wesentlichen nur noch der Laserstrahl mittels der Kamera erfasst wird und insbesondere eine Überbelichtung des Kamerabilds durch den Laserstrahl vermieden wird. Die Bildpunkt-Koordinaten des Laserstrahls werden bevorzugt durch eine geeignete Mittelung von Bildpunkt-Koordinaten mit Helligkeiten oberhalb eines Schwellwerts bestimmt. Diese Bildpunkt-Koordinaten des Laserstrahls werden bevorzugt mit den zuvor bestimmten Bildpunkt-Koordinaten des Abgleichpunktes verglichen.

Die Vorgabe der Abgleichpunkte in dieser vorteilhaften Ausführungsform kann durch optische Marker erfolgen, welche im ortsaufgelösten Bild mittels Bildanalyse detektiert werden. Insbesondere ist es jedoch vorteilhaft, dass der Benutzer in dem ortsaufgelösten, mittels der Bildaufnahmeeinheit erfassten Bild Abgleichpunkte auswählt. Eine besonders vorteilhafte benutzerfreundliche Auswahl kann durch Anwählen der Abgleichpunkte in dem ortsaufgelösten Bild, beispielsweise durch Anklicken mittels einer Computermaus, erfolgen. In diesem Fall wird zusätzlich das ortsaufgelöste Bild mit dem dreidimensionalen Modell verglichen, um dem durch den Benutzer ausgewählten Abgleichpunkt Ortskoordinaten im dreidimensionalen Modell zuzuordnen.

Bei der zuvor beschriebenen Verwendung von optischen Markern ist es insbesondere vorteilhaft, dass vor Verfahrensschritt A in einem Verfahrensschritt A0 zumindest drei optische Abgleichpunktmarkierungen als Marker auf der Messoberfläche aufgebracht werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass in Verfahrensschritt E die Zuordnung von Ortskoordinaten zu den Abgleichpunkten mittels automatischer Mustererkennung erfolgt. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird in Verfahrensschritt C der Laserstrahl automatisiert mittels der Strahlrichteinheit auf jeden der mindestens drei Abgleichpunkte gerichtet, um für jeden Abgleichpunkt ein Abgleichpunktbild zu erfassen.

Ein wesentlicher Bestandteil des Verfahrens ist das Erstellen eines dreidimensionalen Modells gemäß Verfahrensschritt B mittels der in Verfahrensschritt A aufgenommenen ortsaufgelösten Bilder. Die Erstellung des dreidimensionalen Modells in Verfahrensschritt B erfolgt vorteilhafterweise mittels Photogrammetrie. Photogrammetrische Verfahren sind an sich aus der Geodäsie und Fernerkundung bekannt. Inzwischen wird Photogrammetrie jedoch ebenso zur Ermittlung der räumlichen Lage und/oder der dreidimensionalen Form eines Objekts mittels einer Mehrzahl ortsaufgelöster Messbilder verwendet.

Die eingangs erwähnte Aufgabe ist daher ebenfalls durch die Verwendung von Photogrammetrie, um einen Abgleich einer Strahlrichteinheit zum Richten eines Laserstrahls einer Laserstrahlquelle auf mehrere Messpunkte eines Messobjekts durchzuführen, gelöst, insbesondere um einen Abgleich einer Strahlrichteinheit eines Vibrometers durchzuführen.

Um eine präzise Bestimmung des dreidimensionalen Modells zu ermöglichen, werden bevorzugt die ortsaufgelösten Bilder derart erfasst, dass zumindest in den Randbereichen eine Überlappung mit dem jeweils nachfolgenden Bild vorliegt. Aufgrund der typischen Größenordnung der Messobjekte, für welche das Verfahren Anwendung findet, ist insbesondere die Verwendung von Methoden der Nahbereichsphotogrammetrie vorteilhaft:

Eine mögliche Ausgestaltung ist die Bestimmung von eindeutigen Merkmalen in den ortsaufgelösten Bildern und die anschließende Triangulation von Koordinaten. Mittels scale-invariant feature transform SIFT, insbesondere gemäß US 6,711,293 B1, speeded-up robust features SURF und ähnlichen einschlägig bekannten Verfahren werden identifizierbare Merkmale in den ortsaufgelösten Bildern bestimmt. Diese Merkmale werden in mehreren der ortsaufgelösten Bilder gesucht und einander zugeordnet. Die Zuordnung wird durch einen Algorithmus durchgeführt, der in etwa passende Nachbarn für die Merkmale in einem multidimensionalen Raum bestimmt, welcher durch die Feature-Vektoren (SIFT, SURF, etc.) aufgespannt wird. Beispiele hierfür sind das einfache Ausprobieren (Brute Force) oder die Fast Library for Approximate Nearest Neighbor Search (FLANN: Marius Muja and David G. Lowe, „Fast Approximate Nearest Neighbors with Automatic Algorithm Configuration“, in International Conference on Computer Vision Theory and Applications (VISAPP'09), 2009). Auch andere Verfahren sind denkbar. Basierend auf den Abbildungseigenschaften der verwendeten Bildaufnahmeeinheit können dann die Perspektiven der Bilder berechnet und basierend auf den Merkmal-Korrespondenzen Koordinaten ermittelt werden, vorzugsweise per Triangulation. Die mehrfache Durchführung dieser Koordinatenermittlung ergibt eine Mehrzahl von 3D Koordinaten welche zu einem Modell kombiniert werden. Dies entspricht dem Verfahrensschritt B. Eine Übersicht über diese und weitere verfügbare derartige Verfahren findet sich auch unter https://en.wikipedia.org/wiki/Structure_from_motion.

Eine weitere mögliche Ausgestaltung hierbei ist die Verwendung der an sich bekannten und zuvor erwähnten Musterprojektion, bevorzugt in der Ausführungsform einer Streifenprojektion. Bei der Musterprojektion entfällt die aufwendige Suche nach den passenden Nachbarn in mehreren der ortsaufgelösten Bilder, und die Triangulation kann basierend auf der bekannten Beziehung zwischen Musterprojektionseinheit und Kamera erfolgen. Auch hier erhält man eine Mehrzahl von 3D Koordinaten, welche entsprechend Verfahrensschritt B zu einem Modell kombiniert werden. Bewegliche Messvorrichtungen zur Aufnahme einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern eines Objekts und Erstellen eines dreidimensionalen Modells sind bereits käuflich erwerbbar. Diese Bildaufnahmeeinheiten weisen typischerweise zusätzlich zu einer Aufnahmeeinheit zum Erfassen des ortsaufgelösten Bildes, insbesondere einer Kamera, auch eine Projektionseinheit zum Projizieren eines Musters, insbesondere zum Projizieren von Streifen für das Verfahren der Streifenlichtprojektion auf.

Bevorzugt wird hierfür einer der nachfolgend genannten, handelsüblich erhältlichen 3d-Scanner verwendet (die nachfolgend genannten Bezeichnungen sind Handelsbezeichnungen, deren Rechte bei den jeweiligen Inhabern liegen): Artec Eva, Artec Spider, Creaform GoScan 3D, Creaform Handyscan 3D, Creaform Metrascan 3D.

Für verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ist es notwendig, einem Bildpunkt eines ortsaufgelösten Bildes Ortskoordinaten des dreidimensionalen Modells zuzuordnen.

Die Bestimmung von Lage und Orientierung eines dreidimensionalen Modells in einem ortsaufgelösten Bild ist aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus: DOI: 10.1109/ICCV.2017.23. Durch die dann bekannte Lage und Orientierung kann für jeden Bildpunkt des zugehörigen ortsaufgelösten Bilds bestimmt werden, ob es einen Teil der Oberfläche des dreidimensionalen Modells darstellt. Falls es einen Teil der Oberfläche des dreidimensionalen Modells darstellt, können die nächstgelegenen bekannten 3D-Koordinaten der Oberfläche des dreidimensionalen Modells bestimmt werden und durch eine geeignete Interpolation die 3D-Koordinaten des Teils der Oberfläche bestimmt werden, die in dem jeweiligen Bildpunkt des ortsaufgelösten Bildes dargestellt wird. Auf jeden Fall ist es durch die Bestimmung der Lage und Orientierung des dreidimensionalen Messobjekt-Modells in einem ortsaufgelösten Bild dann auch möglich, jedem Ort, insbesondere jedem Bildpunkt des ortsaufgelösten Bildes, die zugehörigen 3D-Koordinaten im dreidimensionalen Messobjekt-Modell zuzuordnen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den 5 und 6 gezeigt sowie den zugehörigen Figurenbeschreibungen erläutert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird durch Integrieren des Verfahrensschrittes D in Verfahrensschritt A eine Zuordnung von Ortskoordinaten im dreidimensionalen Modell zu den Bildpunkten der Abgleichpunktbilder vereinfacht: In dieser vorteilhaften Ausführungsform wird die Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern gemäß Verfahrensschritt A aufgenommen und die Abgleichpunktbilder gemäß Verfahrensschritt D werden jeweils aus einem Aufnahmeort aufgenommen, welcher einem Aufnahmeort zumindest eines der ortsaufgelösten Bilder gemäß Verfahrensschritt A entspricht oder nur geringfügig hiervon abweicht. Hierdurch ist somit eine Zuordnung jedes Abgleichpunktbildes zu zumindest einem der ortsaufgelösten Bilder gemäß Verfahrensschritt A möglich. Bei Bestimmen des dreidimensionalen Modells gemäß Verfahrensschritt B erfolgt bevorzugt eine Zuordnung von Ortskoordinaten zu den Bildpunkten der in Verfahrensschritt A aufgenommenen Bilder. Entsprechend kann in unaufwändiger Weise eine Zuordnung von Ortskoordinaten bei dem oder den Abgleichbildern erfolgen, in dem auf die Zuordnung des korrespondierenden ortsaufgelösten Bildes gemäß Verfahrensschritt A zurückgegriffen wird.

Insbesondere ist es vorteilhaft, eine Bildaufnahmeeinheit zu verwenden, welche sowohl die Mehrzahl ortsaufgelöster Bilder gemäß Verfahrensschritt A, als auch die Abgleichbilder gemäß Verfahrensschritt D erfasst. Hierdurch kann in einfacher Weise ein Aufnehmen eines ortsaufgelösten Bildes gemäß Verfahrensschritt A und eines Abgleichbildes erfolgen, bevorzugt gleichzeitig oder, indem in kurzer zeitlicher Abfolge, insbesondere bevorzugt in einem zeitlichen Abstand von weniger als 1 Sekunde, bevorzugt weniger als 0,5 Sekunden, ein ortsaufgelöstes Bild gemäß Verfahrensschritt A und ein Abgleichbild aufgenommen werden.

Das Abgleichverfahren dient zum Abgleich einer Strahlrichteinheit einer interferometrischen Messvorrichtung. Mittels der Strahlrichteinheit wird somit ein Laserstrahl als Messstrahl auf einen Messpunkt des Messobjekts gerichtet. Der reflektierte und/oder gestreute Messstrahl durchläuft wieder die Strahlrichteinheit, um eine interferometrische Messung in der Messvorrichtung zu ermöglichen. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Laserstrahl durch die interferometrische Messvorrichtung in mindestens einen Mess- und mindestens einen Referenzstrahl aufgeteilt.

Der Messstrahl wird mittels der Strahlrichteinheit auf einen vorgegebenen Messpunkt auf dem Messobjekt gerichtet, und der von dem Messobjekt reflektierte und/oder gestreute Messstrahl durchläuft die Strahlrichteinheit wieder, um mit dem Referenzstrahl zur Ausbildung einer optischen Interferenz überlagert zu werden. Die Messvorrichtung weist hierzu bevorzugt zumindest einen Detektor auf, um das Interferenzsignal zu detektieren. Aus dem Interferenzsignal können die gewünschten Messdaten, insbesondere Schwingungsdaten und/oder eine Geschwindigkeit der Bewegung der Oberfläche des Objekts am Messpunkt ermittelt werden. Die Messvorrichtung kann im Grundaufbau in an sich bekannter Weise eines Interferometers, insbesondere eines Vibrometers, bevorzugt eines heterodynen Interferometers oder eines heterodynen Vibrometers, ausgebildet sein.

Um an einem Messpunkt eine Schwingung in mehreren Dimensionen zu ermitteln, ist es vorteilhaft, dass die Verfahrensschritte C, D und F für eine Mehrzahl von Messköpfen, bevorzugt für zumindest drei Messköpfe, durchgeführt werden, die jeweils eine Laserstrahlquelle und eine Strahlrichteinheit aufweisen. Insbesondere ist es vorteilhaft, die genannten Verfahrensschritte für eine Mehrzahl zueinander ortsfest angeordneter Messköpfe durchzuführen. Messvorrichtungen mit drei Messköpfen sind beispielsweise durch den Anmelder unter der Bezeichnung „PSV-3D-Scanning Vibrometer“ erhältlich.

Das Verfahren sieht die Verwendung von zumindest drei ortsverschiedenen Abgleichpunkten auf der Messoberfläche vor. Aus mathematischer Sicht ist durch Verwendung von drei Abgleichpunkten und bei Vorgabe der Entfernung zumindest eines Abgleichpunktes zu der Strahlrichteinheit das System ausreichend bestimmt. Ebenso können für ein ausreichend bestimmtes System vier ortsverschiedene Abgleichpunkte vorgegeben werden, wobei hierbei eine separate Vorgabe oder Messung der Entfernung zu der Strahlrichteinheit nicht notwendig ist. Vorteilhafterweise werden mehr als vier ortsverschiedene Abgleichpunkte vorgegeben, um ein überbestimmtes System zu erzielen und so die Auswirkung von Messfehlern zu verringern.

Vorteilhafterweise wird eine Entfernungsmesseinheit verwendet, insbesondere, um den Abstand der Abgleichpunkte zu der Messvorrichtung, insbesondere zu der Strahlrichteinheit zu bestimmen. Die Anzahl der zu bestimmenden Parameter reduziert sich entsprechend: Sind die Distanzen zu den Abgleichpunkten bekannt, werden mindestens drei Abgleichpunkte benötigt. Sind diese Distanzen nicht bekannt, werden mindestens vier Abgleichpunkte benötigt, um alle Parameter der Zuordnungsvorschrift zu bestimmen.

Das dreidimensionale Modell zumindest der Messoberfläche des Messobjekts kann in an sich aus der Photogrammetrie zur Erfassung der Form von dreidimensionalen Objekten bekannten Art ausgebildet sein. Insbesondere liegt es im Rahmen der Erfindung, in Verfahrensschritt B ein dreidimensionales Modell zu erstellen, welches eine Punktwolke, bevorzugt ein Polygonnetz, insbesondere ein unregelmäßiges Dreiecksnetz, aufweist. Wie zuvor beschrieben umfasst das dreidimensionale Modell weiter bevorzugt Texturinformationen des Objekts, insbesondere ein oder mehrere ortsaufgelöste Bilder des Aussehens der Messoberfläche und weiter bevorzugt für jeden Punkt der Oberfläche mit 3D-Koordinaten zusätzlich die zugehörigen Bildpunkt-Koordinaten in den ortsaufgelösten Bildern der Messoberfläche (sogenannte Textur-Koordinaten).

Das dreidimensionale Modell umfasst daher bevorzugt eine Liste von Punkten der Oberfläche des Objekts mit jeweils 3D-Koordinaten und Textur-Koordinaten sowie eine Liste von Dreiecken welche die Oberfläche des Messobjekts annähern, bei denen die Eckpunkte Bestandteile der Liste der Punkte sind.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Messvorrichtung eine Fokussiereinrichtung für den Laserstrahl auf. Dies ist vorteilhaft, um einen präzisen Messpunkt, insbesondere mit möglichst geringer Ausdehnung, auf dem Messobjekt zu beaufschlagen. Typischerweise weisen unterschiedliche Messpunkte einen unterschiedlichen Abstand zu der Messvorrichtung, insbesondere zu der Strahlrichteinheit auf. Vorteilhafterweise ist daher die Fokussiereinrichtung mit der Steuereinheit verbunden und die Steuereinheit derart ausgebildet, mittels des dreidimensionalen Modells einen Abstand der Messvorrichtung und/oder der Strahlrichteinheit zu dem durch den Laserstrahl beaufschlagten Messpunkt zu bestimmen und die Fokussiereinrichtung derart zu steuern, dass eine Fokussierung des Laserstrahls auf den Messpunkt erfolgt.

Für diese vorteilhafte Ausführungsform ist eine hohe Präzision des dreidimensionalen Modells wünschenswert. Hier zeigt sich ein weiterer Vorteil des Verfahrens, da aufgrund des Aufnehmens von ortsaufgelösten Bildern aus mehreren Perspektiven gemäß Verfahrensschritt A eine besonders präzise Bestimmung des dreidimensionalen Modells gemäß Verfahrensschritt B möglich ist.

Bei einer Vielzahl von interferometrischen Messungen wird ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich als Messstrahl verwendet. Ein solcher Laserstrahl kann in unaufwendiger Weise mit typischen Bildaufnahmeeinheiten erfasst werden. Vorteilhafterweise wird bei dem Verfahren und bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung daher die Laserstrahlquelle zur Erzeugung eines Mess- und Referenzstrahls der interferometrischen Messvorrichtung als Laserstrahlquelle für den Abgleich verwendet. Der für den Abgleich verwendete Laserstrahl entspricht somit dem Messstrahl, wobei typischerweise während des Durchführens des Abgleichs, insbesondere während der Verfahrensschritte A, C und D, keine interferometrische Messung erfolgt.

Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, einen mittels einer zusätzlichen Laserstrahlquelle erzeugten Laserstrahl für den Abgleich zu verwenden:

Für manche Anwendungen von interferometrischen Messungen ist es wünschenswert, einen mittels üblicher Bildaufnahmeeinheiten nicht oder nur mit unzureichender Genauigkeit erfassbaren Laserstrahl zu verwenden. Insbesondere sind Vibrometer bekannt, welche Laserstrahlen im Infrarotbereich verwenden, insbesondere bei einer Wellenlänge von 1550 nm.

Nachteilig ist hierbei, dass der Benutzer keine oder eine nur unzureichende optische Kontrolle über den jeweils beaufschlagten Messpunkt besitzt und ein automatisiertes Auffinden eines Auftreffpunktes solch eines Lasers nur mit zusätzlichem technischem Aufwand möglich ist. Bei dem Verfahren wäre darüber hinaus ein Beaufschlagen eines Abgleichpunktes mittels des Messstrahls durch den Benutzer nicht oder zumindest nicht in einfacher Weise kontrollierbar. Insbesondere kann der Benutzer in diesem Fall nicht durch einfache Sichtkontrolle einen Abgleichpunkt auswählen, indem er durch manuelles Senden von Steuerbefehlen an die Strahlrichteinheit den gewünschten Abgleichpunkt mit dem Messstrahl beaufschlagt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird daher ein zusätzlicher Ziellaserstrahl einer Ziellaserstrahlungsquelle verwendet, um den Abgleich durchzuführen. Der Ziellaserstrahl wird bevorzugt derart in den Strahlengang der Strahlrichteinheit eingekoppelt, dass der Ziellaserstrahl auf den gleichen Ortspunkt des Messobjekts auftrifft, wie der Messstrahl. Insbesondere wird der Ziellaserstrahl bevorzugt koaxial zu dem Messstrahl in den Strahlengang der Strahlrichteinheit eingekoppelt, sodass Mess- und Ziellaserstrahl identisch durch die Strahlrichteinheit abgelenkt werden.

In dieser vorteilhaften Ausführungsform stellt somit die Ziellaserstrahlquelle die Laserstrahlquelle und der Ziellaserstrahl den Laserstrahl für das Verfahren oder eine bevorzugte Ausführungsform hiervon dar. Insbesondere erfolgt in Verfahrensschritt C somit ein Richten des Ziellaserstrahls auf zumindest drei ortsverschiedene Abgleichpunkte. Darüber hinaus ist es nicht notwendig, dass zum Durchführen des Abgleichs gleichzeitig der Messstrahl ausgesandt wird, da während des Abgleichs keine interferometrische Messung erfolgen muss und somit die Laserstrahlquelle für den Messstrahl hierbei ausgeschaltet sein kann.

Es ist jedoch vorteilhaft, den Messlaserstrahl während des Abgleichs eingeschaltet zu lassen, da sich über Auswertung der interferometrischen Signalstärke vorteilhaft eine automatische Fokussierung des Messlaserstrahls realisieren lässt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Optik für den Laserstrahl der Messvorrichtung ist, dass der Ziellaserstrahl fokussiert ist, sobald der Messlaserstrahl fokussiert ist. Somit lässt sich über automatische Fokussierung des Messlasers auch der Ziellaser automatisch fokussieren.

Entsprechend weist die Messvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform eine Ziellaserstrahlquelle für einen Ziellaserstrahl auf, und die Steuereinheit ist ausgebildet, einen Abgleich der Strahlrichteinheit mittels des Ziellaserstrahls als Laserstrahl auszuführen.

Das Richten des Laserstrahls der Laserstrahlquelle auf mehrere Messpunkte eines Messobjekts erfolgt vorliegend mit einer Strahlrichteinheit. Diese kann in an sich bekannter Weise ausgebildet sein. So liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Strahlrichteinheit als Ablenkeinheit ausgebildet ist und ein Ablenken des Laserstrahls mittels einem oder mehrerer beweglicher Spiegel oder anderer optischer Mittel erfolgt. Ebenso kann ein Richten des Laserstrahls auf einen gewünschten Punkt durch ein translatorisches Verfahren eines optischen Elementes, beispielsweise durch eine Linearbewegung eines Spiegels mittels eines Elektromotors erfolgen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, die Laserstrahlquelle, insbesondere die gesamte Messvorrichtung mittels der Strahlrichteinheit zu bewegen. So kann die Strahlrichteinheit als Bewegungseinheit ausgebildet sein, um beispielsweise die Messvorrichtung translatorisch, beispielsweise in einer x- und einer senkrecht hierzu stehenden y-Richtung zu bewegen. Ebenso kann die Strahlrichteinheit alternativ oder zusätzlich zu einem Verkippen oder Drehen der Laserstrahlquelle, insbesondere der gesamten Messvorrichtung ausgebildet sein. Es liegt insbesondere im Rahmen der Erfindung, dass die Messvorrichtung mittels der Strahlrichteinheit um eine oder bevorzugt zwei Achsen drehbar ist. Es liegt insbesondere im Rahmen der Erfindung, dass die Strahlrichteinheit als Roboterarm ausgebildet ist, um eine Ausrichtung des Laserstrahls der Laserstrahlquelle auf einen gewünschten Messpunkt zu erzielen.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die vorgenannten Strahlrichteinheiten begrenzt. Wesentlich ist, dass Steuerparameter vorgebbar sind, so dass für einen durch den Laserstrahl beaufschlagbaren Messpunkt durch Vorgabe korrespondierender Steuerparameter mittels der Strahlrichteinheit der Laserstrahl der Laserstrahlquelle auf den gewünschten Messpunkt gerichtet werden kann.

Auch andere vorteilhafte Ausführungsformen der Strahlrichteinheit sind vorstellbar. So kann die Änderung des räumlichen Laserstrahl-Verlaufs auch durch mechanische Verstelleinheiten, die den Messkopf, den Laser, Optiken oder andere Teile bewegen, bewerkstelligt werden. Besonders vorteilhaft sind galvanometrisch bewegte Spiegelscanner, Spiegelscanner mit kardanisch aufgehängten Spiegeln, Piezoscanner, Keilplatten-Scanner oder MEMS-Scanner. Auch elektrooptisch oder akustooptisch betriebene Strahlrichteinheiten sind denkbar.

Wesentliche Aspekte der vorliegende Erfindung, zumindest von vorteilhaften Ausführungsformen hiervon, können somit wie folgt zusammengefasst werden: Mit geeigneten Bildaufnahmeeinheiten werden ortsaufgelöste Bilder der Messoberfläche eines Messobjekts aufgenommen, wobei zumindest ein Teil der Bilder dazu benutzt wird, ein dreidimensionales Modell der Messoberfläche zu erstellen, und ein anderer, nicht notwendigerweise dazu disjunkter Teil der Bilder dazu dient, Abgleichpunktbilder zur Verfügung zu stellen, wobei diese Bilder dann in räumlichen Bezug zu dem erstellten dreidimensionalen Modell der Messoberfläche gebracht werden. Die Abgleichpunkte werden in den Abgleichpunktbildern lokalisiert, d. h. es werden ihnen manuell oder automatisiert Orte im jeweiligen zugehörigen ortsaufgelösten Abgleichpunktbild zugewiesen, so dass ihnen dann über den räumlichen Bezug der Abgleichpunktbilder zum dreidimensionalen Modell der Messobjektoberfläche Koordinaten im Modell der Messoberfläche zugeordnet werden können. Alternativ können die Abgleichpunkte auch im dreidimensionalen Modell der Messoberfläche lokalisiert werden. Der Laserstrahl wird auf zumindest drei ortsverschiedene Abgleichpunkte gerichtet, und es werden die zugehörigen Steuerparameter der Strahlrichteinheit ermittelt. Damit liegen für die Abgleichpunkte sowohl die dreidimensionalen Koordinaten im Modell der Messoberfläche als auch die zugehörigen Steuerparameter vor. Hieraus wird dann eine Zuordnungsvorschrift ermittelt, mit deren Hilfe zu beliebigen mit dem Laserstrahl beaufschlagbaren Messpunkten auf der Messoberfläche die hierzu korrespondierenden Steuerparameter der Strahlrichteinheit zugewiesen werden. Besonders vorteilhaft wird hierzu ein Strahlrichteinheit-Modell verwendet, das in Abhängigkeit der Steuerparameter und gegebenenfalls zusätzlich von zunächst noch nicht bestimmten weiteren Parametern den Laserstrahlverlauf relativ zur Strahlrichteinheit modelliert. In diesem Fall ist es möglich, zusätzlich zur Zuordnungsvorschrift auch die jeweils zugehörige Strahlrichtung des Laserstrahls beim Auftreffen auf den Messpunkt im Koordinatensystem des Messobjekts zu bestimmen. Da auf Interferometrie basierende Messsysteme für Schwingungen stets nur die Schwingung in Richtung des Mess-Laserstrahls ermitteln bzw. in Richtung einer Winkelhalbierenden zwischen zu dem Objekt hinlaufenden und von dem Objekt zurücklaufenden Messstrahl wie zuvor beschrieben, ist dies von besonderer Bedeutung für Anwendungen in der Vibrometrie. Insbesondere bei Verwendung mehrerer Messvorrichtungen, bevorzugt von drei oder mehr, ist dadurch dann die Möglichkeit gegeben, Schwingungsinformation über das Messobjekt in allen drei Raumdimensionen getrennt zu ermitteln und gegebenenfalls relativ zur Messoberfläche oder in Koordinaten des Messobjektmodells anzugeben. Das Richten des Laserstrahls auf die Abgleichpunkte kann wahlweise vor, nach oder während der Aufnahme der Abgleichpunktbilder erfolgen, dies kann auch für verschiedene Abgleichpunkte auf unterschiedliche Weise gehandhabt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, die Abgleichpunktbilder mittels einer relativ zur Strahlrichteinheit raumfesten Bildaufnahmeeinheit zu erfassen, die sich besonders bevorzugt in der Nähe der Laseraustrittsöffnung des Laserstrahls befindet und daher das Messobjekt in etwa aus der Perspektive der Strahlrichteinheit abbildet. Dadurch, dass die Bilder dieser Bildaufnahmeeinheit in räumlichen Bezug zum erstellten dreidimensionalen Modell der Messoberfläche gebracht werden, können jedem Bildpunkt in den ortsaufgelösten Bildern dieser Bildaufnahmeeinheit sofort die zugehörigen Koordinaten des korrespondierenden Messpunkts im Koordinatensystem des Messobjekts zugeordnet werden. Es kann dann jeder beliebige durch diese Bildaufnahmeeinheit sichtbare Punkt und gleichzeitig durch den Laserstrahl erreichbare Punkt der Messoberfläche als Abgleichpunkt benutzt werden. Im Gegensatz zur Vorgehensweise nach dem bekannten Stand der Technik können dadurch auch Abgleichpunkte verwendet werden, die nicht aufgrund ihrer Textur, Farbe, Lage etc. erkennbar sind und dadurch nur schwer den korrespondierenden Punkten im Messobjekt-Modell zugeordnet werden können, was insbesondere bei wenig strukturierten Oberflächen von erheblichem Vorteil ist.

Vorteilhaft ist es auch, die Abgleichpunktbilder aufzunehmen, während der Laserstrahl auf die Abgleichpunkte gerichtet ist. Dadurch ist es auf besonders genaue Weise möglich, den Abgleichpunkt im Abgleichpunktbild zu lokalisieren, unabhängig davon, ob dies automatisch oder manuell geschieht.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn man als Abgleichpunktbilder eine Untermenge derjenigen Bilder der Messoberfläche benutzt, die auch zur Erstellung des dreidimensionalen Modells der Messoberfläche benutzt werden, da diese einen besonders präzisen Bezug zum dreidimensionalen Modell der Messoberfläche besitzen. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn diese Abgleichpunktbilder dann aufgenommen werden, wenn der Laserstrahl auf den jeweiligen Abgleichpunkt gerichtet ist, weil dann auch die Lokalisierung der Abgleichpunkte im jeweils zugehörigen Abgleichpunktbild die höchste Genauigkeit besitzt. Um dies auf einfache Weise zu bewerkstelligen, kann die Strahlrichteinheit den Laserstrahl während der Aufnahme der Abgleichpunktbilder nacheinander auf mehrere Abgleichpunkte richten. Dies kann dadurch geschehen, dass eine automatisierte Umschaltung erfolgt, bevorzugt auf eine Weise, dass jeweils gerade derjenige Abgleichpunkt beleuchtet wird, für den gerade auch ein Abgleichpunktbild aufgenommen werden soll. Dies kann aber auch halbautomatisch erfolgen, zum Beispiel, indem jeweils manuell eine Umschaltung initiiert wird, wenn jeweils Abgleichpunktbilder erfolgreich aufgenommen wurden. Oder es kann dies auch vollständig manuell erfolgen, indem die Umschaltung auf den jeweiligen Abgleichpunkt manuell erfolgt und danach die Abgleichpunktbilder entsprechend aufgenommen werden. Wenn sowohl die Abgleichpunktbilder dann aufgenommen werden, wenn der Laserstrahl auf den Abgleichpunkt gerichtet ist, als auch die gleichen Abgleichpunktbilder zur Erstellung des dreidimensionalen Modells herangezogen werden, können den Abgleichpunkten auf besonders einfache Weise Koordinaten im dreidimensionalen Messobjekt-Modell zugeordnet werden. Es können dann die Abgleichpunkte auch direkt im Messobjekt-Modell identifiziert werden, sei es automatisch oder manuell, und ihre Koordinaten können zur späteren Verwendung abgespeichert oder im Speicher der Steuereinheit abgelegt werden.

Weitere vorteilhafte Merkmale und bevorzugte Ausführungsformen werden im Folgenden anhand der Figur und von Ausführungsbeispielen beschrieben. Dabei zeigt:

  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß Messvorrichtung;
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
  • 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
  • 4 Ausführungsbeispiele für Bildaufnahmeeinheiten;
  • 5 Ansichten des Messobjekts und eines ortsaufgelösten Bildes zur Erläuterung der Bestimmung der Position einer Bildaufnahmeeinheit und
  • 6 Ansichten des Messobjekts und eines ortsaufgelösten Bildes zur Erläuterung der Bestimmung von 3D-Koordinaten zu einem Bildpunkt des ortsaufgelösten Bildes.

Die Figuren zeigen schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellungen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente.

Das erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Durchführung einer interferometrischen Messung gemäß 1 weist ein Vibrometer 1 und eine Strahlrichteinheit 2 auf.

Das Vibrometer 1 ist in an sich bekannter Weise als optisches Interferometer ausgebildet, mit einem Laser als Strahlquelle zum Erzeugen eines Ursprungsstrahls, mit mindestens einem Strahlteiler, um den Ursprungsstrahl in mindestens einen Mess- und mindestens einen Referenzstrahl aufzuteilen und den Referenzstrahl mit dem von dem Messobjekt reflektierten und/oder gestreuten Messstrahl auf den Detektor zur Ausbildung einer optischen Interferenz zu überlagern. Der Laserstrahl in diesem Ausführungsbeispiel weist eine Wellenlänge von 632.8 nm auf.

Das Vibrometer kann wie in DE 10 2012 211 549 B3 beschrieben ausgebildet sein.

Die Strahlrichteinheit 2 ist vorliegend als Ablenkeinheit ausgebildet und weist zwei mittels Galvanometern drehbare Spiegel auf, sodass in an sich bekannter Weise ein Spiegelscanner zur zweidimensionalen Ablenkung ausgebildet wird. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind schematisch zwei Spiegel der Strahlrichteinheit 2 dargestellt. Mittels der Strahlrichteinheit 2 wird somit ein Laserstrahl als Messstrahl 3 auf mehrere ortsverschiedene Messpunkte gerichtet.

Der Messstrahl 3 des Vibrometers 1 durchläuft die Strahlrichteinheit 2 und trifft auf eine Messoberfläche eines Messobjekts. Mittels der Strahlrichteinheit 2 kann der Messstrahl 3 auf einen hinteren Bereich eines Autos sowie auf das Auto umgebende Boden- und Wandbereiche gerichtet werden. Das Messobjekt 4 umfasst somit das Auto 4a als Messgegenstand sowie Wand- und Bodenbereiche. Die Messoberfläche ist vorliegend die durch den Messstrahl 3 beaufschlagbare Fläche und umfasst somit die Oberfläche des Autos 4a in einem hinteren Bereich sowie ebenfalls Wand- und Bodenbereiche.

Ziel der interferometrischen Messung ist, für eine Mehrzahl von Messpunkte auf der Oberfläche des Autos 4a im hinteren Bereich Schwingungsmessungen bei laufendem Motor des Autos 4a durchzuführen.

Die Messvorrichtung weist hierzu weiterhin eine Steuereinheit 5 auf, welche mit dem Vibrometer 1 und der Strahlrichteinheit 2 verbunden ist. Mittels der Steuereinheit 5 werden Steuerparameter an die Strahlrichteinheit 2 gesendet, um eine gewünschte Spiegelstellung zu erzielen. Ebenso erfolgt mittels der Steuereinheit 5 eine Steuerung der Laserstrahlquelle des Vibrometers 1 sowie ein Auswerten der Messsignale des Detektors des Vibrometers 1, um Schwingungsdaten aus der optischen Interferenz zwischen Mess- und Referenzstrahl zu ermitteln.

Die Messvorrichtung weist weiterhin eine relativ zu der Strahlrichteinheit bewegliche Bildaufnahmeeinheit 6 auf. Diese ist als Handgerät ausgebildet und daher mit einer stilisierten Hand dargestellt.

Die bewegliche Bildaufnahmeeinheit 6 ist zur Durchführung einer Streifenprojektion ausgebildet und weist daher eine Kamera zum Erfassen ortsaufgelöster Bilder sowie einer Projektionseinheit zum Projizieren von Streifenmustern auf. Die bewegliche Bildaufnahmeeinheit 6 ist drahtlos oder über ein Verbindungskabel ebenfalls mit der Steuereinheit 5 verbunden, um Daten der ortsaufgelösten Bilder an die Steuereinheit 5 zu senden.

Die Messvorrichtung weist weiterhin eine relativ zu der Strahlrichteinheit 2 ortsfeste, als CCD- oder CMOS-Kamera ausgebildete Bildaufnahmeeinheit 7 auf, welche in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem Vibrometer 1 und der Strahlrichteinheit 2 angeordnet ist. Die ortsfeste Bildaufnahmeeinheit 7 ist derart angeordnet, gegebenenfalls mit Umlenkspiegeln und/oder Überlagerungsstrahlteilern (z. B. Farbstrahlteiler wie Dichroiten etc.) dass ein ortsaufgelöstes Bild des Autos 4a in etwa aus der Perspektive eines Strahlausgangs 2a der Strahlrichteinheit, an welchem der Messstrahl 3 austritt, erfasst werden kann.

Die Steuereinheit 5 ist ausgebildet, um mittels der Steuereinheit einen Abgleich der Strahlrichteinheit durchzuführen, um einem durch den Messstrahl beaufschlagbaren Messpunkt auf der Messoberfläche korrespondierende Steuerparameter für die Strahlrichteinheit 2 zuzuordnen. Weiterhin ist die Steuereinheit 5 ausgebildet, ein dreidimensionales Modell zumindest des durch den Messstrahl 3 mittels der Strahlrichteinheit 2 beaufschlagbaren hinteren Bereichs des Autos 4a zu erstellen, basierend auf einer Mehrzahl ortsaufgelöster Bilder, welche mittels der beweglichen Bildaufnahmeeinheit 6 erfasst werden.

Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele eines Verfahrens beschrieben, welche mittels einer Messvorrichtung gemäß des ersten Ausführungsbeispiels durchgeführt werden können. Ziel der Verfahren ist, einen Abgleich der Strahlrichteinheit 2 durchzuführen. Wie eingangs erwähnt, ist die Messvorrichtung bevorzugt zur Durchführung des nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiels eines Verfahrens und/oder der weiterhin beschriebenen Ausführungsbeispiele eines Verfahrens ausgebildet.

Ausführungsbeispiel 1 eines Verfahrens

In einem Verfahrensschritt A erfolgt ein Aufnehmen einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern des hinteren Bereichs des Autos 4a mittels der beweglichen Bildaufnahmeeinheit 6. Hierzu bewegt der Benutzer die bewegliche Bildaufnahmeeinheit 6 um den hinteren Bereich des Autos 4a, während automatisch eine Vielzahl von ortsaufgelösten Bildern aufgenommen wird. Wie zuvor beschrieben, erzeugt während der Aufnahme der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern die bewegliche Bildaufnahmeeinheit 6 Streifenmuster nach dem Prinzip der Streifenprojektion, sodass in an sich bekannter Weise photogrammetrisch mittels der Steuereinheit 5 in einem Verfahrensschritt B ein dreidimensionales Modell erstellt wird, welches zumindest den hinteren Bereich des Autos 4a umfasst. Das dreidimensionale Modell weist ein Polygonnetz aus Dreiecken auf, welches die geometrische Form dieses Bereichs wiedergibt.

Alternativ ist die Bildaufnahmeeinheit 6 als handelsübliche Kamera oder eine Kombination aus einer Beleuchtungseinheit und einer oder mehrerer Kameras ausgebildet. Sowohl Schwarzweiß- als auch Farbkameras sind verwendbar. Besonders bevorzugt nimmt die Bildaufnahmeeinheit neben der Information, die zur Bestimmung der Geometrie der Messoberfläche notwendig ist, auch Information bezüglich der Textur und/oder Farbe der Oberfläche auf, ganz bevorzugt, indem sie beispielsweise eine Farbkamera umfasst. Die Aufnahme von Textur- und/oder Farbinformation und ihre räumliche Zuordnung zu den aufgenommenen Bildern bzw. dem topographischen 3D-Modell des Objekts ist besonders vorteilhaft, weil sich wie zuvor beschrieben hierdurch die verschiedenen aufgenommenen Bilder einander deutlich besser zuordnen lassen und sich der Aufnahmeort des jeweiligen Kamerabilds relativ zum 3D-Modell ebenfalls deutlich exakter zuordnen lässt.

Mittels der ortsfesten Bildaufnahmeeinheit 7 wird ebenfalls ein ortsaufgelöstes Bild des hinteren Bereichs des Autos 4a erfasst und an die Steuereinheit 5 übermittelt. In diesem Ausführungsbeispiel wird somit lediglich ein Abgleichpunktbild verwendet.

Basierend auf diesen Daten können jedem Bildpunkt des ortsaufgelösten Bildes der Bildaufnahmeeinheit 7 Ortskoordinaten im dreidimensionalen Modell des Autos 4a mittels Bestimmen des Ortspunkts der ortsfesten Bildaufnahmeeinheit 7 wie folgt zugeordnet werden:

In diesem Ausführungsbeispiel werden die Ortskoordinaten der ortsfesten Bildaufnahmeeinheit 7 im dreidimensionalen Modell ermittelt. Dies erfolgt durch Erstellen einer Mehrzahl von virtuellen Ansichten des hinteren Bereichs des Autos 4a aus unterschiedlichen Betrachtungspunkten basierend auf dem dreidimensionalen Modell. Durch einen Vergleich der virtuell erstellten Ansichten mit dem durch die ortsfeste Bildaufnahmeeinheit 7 erfassten Bild kann eine korrespondierende oder zumindest nächstliegende virtuelle Ansicht bestimmt werden. Der Ortspunkt dieser virtuellen Ansicht entspricht somit zumindest näherungsweise dem tatsächlichen Ortspunkt der ortsfesten Bildaufnahmeeinheit 7 im Koordinatensystem des dreidimensionalen Modells. Es können beispielsweise x-, y-, z-Koordinaten für den Ort der ortsfesten Bildaufnahmeeinheit 7 im dreidimensionalen Modell des Autos 4a bestimmt werden. Dies ist weiterhin in 5 und der Figurenbeschreibung näher erläutert.

Basierend auf dem dreidimensionalen Modell und den bestimmten Ortskoordinaten der ortsfesten Bildaufnahmeeinheit 7 können jedem Bildpunkt eines ortsaufgelösten Bildes der ortsfesten Bildaufnahmeeinheit 7 ebenfalls Ortskoordinaten im dreidimensionalen Modell zugeordnet werden - zumindest für solche Bildpunkte, welche einen Punkt auf der Oberfläche des Autos 4a zeigen. Das zugrundeliegende Prinzip wurde bereits im Zusammenhang mit der allgemeinen Beschreibung des Verfahrensschritts B erläutert und wird weiter unten zu 6 weiter ausgeführt.

Anschließend wird in einem Verfahrensschritt C der Messstrahl 3 mittels der Strahlrichteinheit 2 auf vier oder mehr ortsverschiedene Abgleichpunkte auf dem Auto 4a gerichtet. Die Auswahl erfolgt manuell durch den Benutzer: Über eine Eingabeeinheit wie beispielsweise Tastatur und/oder Maus steuert der Benutzer über die Steuereinheit 5 die Strahlrichteinheit 2, um den Messstrahl 3 auf einen gewünschten Abgleichpunkt zu richten. Trifft der Messstrahl 3 einen gewünschten Abgleichpunkt, so bestätigt der Benutzer dies über die Steuereinheit 5.

Die Steuereinheit 5 ordnet diesem Abgleichpunkt die vorliegenden Steuerparameter (beispielsweise eine Winkelstellung für jeden der beiden Spiegel der Strahlrichteinheit 2) zu. Ebenso steuert die Steuereinheit 5 die ortsfeste Bildaufnahmeeinheit 7, um ein ortsaufgelöstes Abgleichpunktbild in einem Verfahrensschritt D zu erfassen.

Dieser Vorgang wird für alle vier Abgleichpunkte wiederholt, sodass für jeden Abgleichpunkt einerseits die korrespondierenden Steuerparameter für die Strahlrichteinheit 2 und andererseits ein ortsaufgelöstes Abgleichpunktbild vorliegen, wobei das Abgleichpunkt jeweils den durch den Laserstrahl beaufschlagten Abgleichpunkt umfasst.

Mittels der Steuereinheit 5 wird in den Abgleichpunktbildern nun jeweils der Abgleichpunkt lokalisiert. Vorliegend erfolgt dies durch Auffinden der Bildbereiche mit der größten Lichtintensität, da bei der hier vorliegenden Messsituation der durch den Laserstrahl beaufschlagte Punkt im ortsaufgelösten Bild der ortsfesten Bildaufnahmeeinheit 7 eine signifikant höhere Lichtintensität verglichen mit den anderen Bildbereichen aufweist.

Nach Lokalisierung des Abgleichpunktes in den Abgleichpunktbildern werden - wie zuvor beschrieben - in einem Verfahrensschritt E jedem Abgleichpunkt Ortskoordinaten im dreidimensionalen Modell zugeordnet, beispielsweise in Form von x-, y-, z-Koordinaten.

Es liegen nun für jeden Abgleichpunkt somit Ortskoordinaten im dreidimensionalen Modell sowie korrespondierende Steuerparameter der Strahlrichteinheit 2 vor. Basierend auf den zuvor beschriebenen Verfahren oder den in Yanchu Xu, R. N. Miles, a.a.O. oder WO 93/15386 beschriebenen Verfahren wird nun eine Zuordnungsvorschrift abhängig von den genannten Ortskoordinaten und Steuerparametern der Abgleichpunkte bestimmt. Mittels der Zuordnungsvorschrift kann somit für einen beliebigen gewünschten, durch den Messstrahl beaufschlagbaren Messpunkt auf dem Auto 4a eine Bestimmung von Steuerparametern für die Strahlrichteinheit 2 erfolgen, um den Messstrahl 3 auf diesen gewünschten Messpunkt zu richten. Außerdem lässt sich auch der Auftreffwinkel des Messstrahls bzw. sein Strahlverlauf beim Auftreffen auf das Messobjekt angeben.

Zur Vermeidung von Wiederholungen wird bei den beiden nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen eines Verfahrens lediglich auf die wesentlichen Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel eingegangen:

Ausführungsbeispiel 2 eines Verfahrens

Das zweite Ausführungsbeispiel eines Verfahrens ermöglicht eine größere Genauigkeit bei der Bestimmung der Ortskoordinaten der Abgleichpunkte mittels der Abgleichpunktbilder und dem dreidimensionalen Modell. Untersuchungen des Anmelders haben gezeigt, dass bei manchen Oberflächen eines Messgegenstandes eine Zuordnung von Ortskoordinaten zu Bildpunkten eines ortsaufgelösten Bildes der ortsfesten Bildaufnahmeeinheit 7 mit Fehlern behaftet ist. Eine Ursache hierfür ist das Fehlen von optisch markanten Strukturen, welche einen Vergleich des Bildes der ortsfesten Bildaufnahmeeinheit 7 mit dem dreidimensionalen Modell ermöglichen. Insbesondere bei Oberflächen, die nur geringe Höhenunterschiede aufweisen, keine ausgeprägten Kanten aufweisen und/oder keine Farbunterschiede aufweisen, können Abweichungen bei der Zuordnung von Ortskoordinaten im dreidimensionalen Modell zu Bildpunkten des ortsaufgelösten Bildes der ortsfesten Bildaufnahmeeinheit 7 resultieren.

Das Verfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sieht daher vor, bereits in Verfahrensschritt A bei Aufnehmen der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern mittels der beweglichen Bildaufnahmeeinheit 6 zumindest einen, bevorzugt mehrere, Punkte auf dem Messobjekt 4, vorliegend auf dem Messgegenstand, dem Auto 4a, mittels eines Laserstrahls durch die Strahlrichteinheit 2 zu beaufschlagen, vorliegend mit dem Messstrahl 3.

Dies erfolgt in dem vorliegenden zweiten Ausführungsbeispiel, indem der Benutzer zunächst die vier Abgleichpunkte auswählt und bei Durchführen von Verfahrensschritt A mittels der Strahlrichteinheit 2 der Messstrahl 3 mit sich wiederholender Abfolge nacheinander auf jeden der vier Abgleichpunkte gerichtet wird, vorliegend jeweils mit einer Verweildauer von 1 Sekunde pro Abgleichpunkt. Ebenso können längere oder auch kürzere Verweildauern verwendet werden.

Während der Benutzer der beweglichen Bildaufnahmeeinheit 6 die ortsaufgelösten Bilder des hinteren Bereiches des Autos 4a aufnimmt, wird somit zumindest bei manchen ortsaufgelösten Bildern ein Abgleichpunkt miterfasst. Aufgrund der sich wiederholenden Abfolge des Beaufschlagens der Abgleichpunkte durch den Messstrahl 3 wird weiterhin jeder Abgleichpunkt zumindest in einem ortsaufgelösten Bild erfasst werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann während des Aufnehmens der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern gemäß Verfahrensschritt A gleichzeitig eine Lokalisierung von durch den Messstrahl 3 beaufschlagten Punkten mittels der Steuereinheit 5 erfolgen und dem Benutzer ein Signal, insbesondere ein optisches und/oder akustisches Signal, ausgegeben werden, sobald jeder durch den Messstrahl 3 beaufschlagte Punkt zumindest in einem ortsaufgelösten Bild erfasst ist.

Zur Ermittlung der Ortskoordinaten der ortsfesten Bildaufnahmeeinheit 7 im dreidimensionalen Modell wird in diesem zweiten Ausführungsbeispiel zunächst für jeden Abgleichpunkt ein Abgleichpunktbild erfasst, bei welchem der jeweilige Abgleichpunkt durch den Messstrahl 3 beaufschlagt ist. Dies ist automatisiert möglich, da die zugehörigen Steuerparameter bereits bei Durchführen des Verfahrensschritts A durch den Benutzer vorgegeben wurden und somit nun zum automatisierten Richten des Messstrahls 3 auf den jeweiligen Abgleichpunkt verwendet werden können.

Hieraus erfolgt somit auch bei Vorliegen problematischer Messoberflächen mit keinem oder nur wenigen signifikanten optischen Strukturen eine präzise Zuordnung von Ortskoordinaten im ortsaufgelösten Bild der ortsfesten Bildaufnahmeeinheit 7. Anschließend werden, wie bereits bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, anhand der Abgleichpunktbilder jedem Abgleichpunkt Ortskoordinaten gemäß Verfahrensschritt E zugeordnet und schließlich ein Abgleich gemäß Verfahrensschritt F durchgeführt.

Bei einer alternativen Ausgestaltung des zweiten Ausführungsbeispiels werden in Verfahrensschritt A beliebige Punkte mittels des Messstrahls 3 beaufschlagt, welche nicht zwingend mit den Abgleichpunkten übereinstimmen müssen. Auch hierdurch wird durch Beaufschlagen der Messoberfläche des Messstrahls 3 eine zusätzliche optische Struktur geschaffen. Mittels der ortsfesten Bildaufnahmeeinheit 7 wird für jeden dieser beliebigen Punkte zur Schaffung einer optischen Struktur ebenfalls ein ortsaufgelöstes Bild aufgenommen. Dies kann in verfahrensökonomischer Weise gleichzeitig zum Durchführen des Verfahrensschritts A erfolgen, sodass das Verfahrensschritt D und Verfahrensschritt A gleichzeitig durchgeführt werden. In diesem Fall ist es somit nicht notwendig, die Steuerparameter dieser beliebig ausgewählten Ortspunkte zur Schaffung einer zusätzlichen optischen Struktur zu speichern. Vorteilhafterweise werden jedoch die vorliegenden Informationen auch zum Abgleich verwendet. Da jeder der beliebig ausgewählten Ortspunkte zur Schaffung einer zusätzlichen optischen Struktur in mindestens einem ortsaufgelösten Bild der beweglichen Bildaufnahmeeinheit 6 und in mindestens einem Bild der ortsfesten Bildaufnahmeeinheit 7 enthalten ist, kann - wie bereits bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben - eine präzise Bestimmung der Position der ortsfesten Bildaufnahmeeinheit 7 mittels Ortskoordinaten im dreidimensionalen Modell erfolgen. Bei dieser Abwandlung werden nun anschließend die Abgleichpunkte wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben mit dem Messstrahl 3 beaufschlagt und für jeden Abgleichpunkt wird ein ortsaufgelöstes Abgleichpunktbild mittels der ortsfesten Bildaufnahmeeinheit 7 erfasst, um gemäß Verfahrensschritt E jedem Abgleichpunkt Ortskoordinaten im dreidimensionalen Modell zuzuordnen.

Ausführungsbeispiel 3 eines Verfahrens

Das dritte Ausführungsbeispiel eines Verfahrens entspricht weitgehend dem zweiten Ausführungsbeispiel, unterscheidet sich von beiden vorangegangenen Ausführungsbeispielen jedoch dadurch, dass eine Verwendung der ortsfesten Bildaufnahmeeinheit 7 nicht notwendig ist:

Das dritte Ausführungsbeispiel sieht eine Integration des Verfahrensschrittes D in Verfahrensschritt A vor. Wie auch bei der ersten Variante des zweiten Ausführungsbeispiels beschrieben, werden im Verfahrensschritt A während des Aufnehmens der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern mittels der beweglichen Bildaufnahmeeinheit 6 die Abgleichpunkte durch den Messstrahl 3 beaufschlagt. Im Unterschied zu den beiden vorangegangenen Verfahren wird für jeden Abgleichpunkt jedoch zumindest ein ortsaufgelöstes Bild der beweglichen Bildaufnahmeeinheit 6, welches den Abgleichpunkt aufweist, als Abgleichpunktbild verwendet. Es erfolgt somit keine separate Aufnahme von Abgleichpunktbildern durch die ortsfeste Bildaufnahmeeinheit 7, sondern das Erfassen dieser Abgleichpunktbilder ist in Verfahrensschritt A integriert.

Bei Erstellen des dreidimensionalen Modells gemäß Verfahrensschritt D werden zusätzlich die durch den Messstrahl 3 beaufschlagten Abgleichpunkte lokalisiert, und jedem Abgleichpunkt werden Ortskoordinaten im dreidimensionalen Modell zugeordnet. Dazu wird in den Bildern der Textur des Messobjekts der jeweilige Abgleichpunkt lokalisiert. Es wird das Dreieck des dreidimensionalen Objekts bestimmt, das projiziert auf die Texturkoordinaten den Abgleichpunkt enthält. Die Parameter einer bilinearen Interpolation der Texturkoordinaten des Abgleichpunkts aus den Texturkoordinaten der Eckpunkte des Dreiecks werden bestimmt. Mit diesen Parametern werden die 3D-Koordinaten der Eckpunkte des Dreiecks des Polygonnetzes des dreidimensionalen Modells interpoliert und daraus letztendlich die Ortskoordinaten des Abgleichpunkts im dreidimensionalen Modell bestimmt.

Es liegen somit auch im dritten Ausführungsbeispiel für jeden Abgleichpunkt Ortskoordinaten im dreidimensionalen Modell sowie Steuerparameter vor. Die Zuordnung der Steuerparameter zu dem korrespondierenden Abgleichpunkt erfolgt in diesem dritten Ausführungsbeispiel wie nachfolgend beschrieben:

Abweichend von dem Vorgehen gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels wählt der Benutzer bei Durchführen von Verfahrensschritt A zunächst einen ersten Abgleichpunkt manuell an, indem er mittels Steuerbefehlen die Strahlrichteinheit 2 derart steuert, dass der Messstrahl 3 auf den gewünschten Abgleichpunkt auftrifft. Anschließend nimmt der Benutzer mittels der beweglichen Bildaufnahmeeinheit 6 zumindest ein ortsaufgelöstes Bild auf, welches den Abgleichpunkt umfasst. Auch hier kann in vorteilhafter Weise während des Erfassens dieses oder dieser Bilder eine Lokalisierung des durch den Messstrahl 3 beaufschlagten Abgleichpunktes durch die Steuereinheit 5 erfolgen, sodass dem Benutzer durch ein Signal, insbesondere akustisches oder optisches Signal, mitgeteilt werden kann, dass der entsprechende Abgleichpunkt erfasst wurde. Hierdurch sind somit auch die zu diesem Abgleichpunkt korrespondierenden Steuerparameter eindeutig zugeordnet. Dieses Verfahren wird für alle Abgleichpunkte durchgeführt, sodass eine eindeutige Zuordnung von Abgleichpunkt und korrespondierenden Steuerparametern vorliegt.

Wie bereits bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen beschrieben, wird gemäß Verfahrensschritt F der Abgleich basierend auf den Ortskoordinaten der Abgleichpunkte und den korrespondierenden zugeordneten Steuerparametern durchgeführt.

In einer alternativen Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels 3, ist die Strahlrichteinheit 2 anstatt mit zwei Drehspiegeln als mechanische Verschiebeeinheit ausgestaltet. Insbesondere kann ein Vibrometer mit mehreren Messstrahlen derart ausgeführt sein, dass diese sich in einem Punkt treffen und durch die Strahlrichteinheit gemeinsam bewegt werden. Das Ziel des Abgleichs ist auch bei dieser Ausgestaltung gleich, und zwar Steuerparameter für die Strahlrichteinheit ausgehend von beliebigen Objektkoordinaten zu finden, so dass die Laserstrahlen sich auf den zugehörigen Punkten der Objektoberfläche treffen.

In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung dargestellt, um die räumliche Anordnung der einzelnen Elemente zu verdeutlichen:

Die einzelnen Elemente sind gleich oder analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut, weshalb im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird:

Bei dem schematisch dargestellten Messobjekt 4, soll der quaderförmige Messgegenstand 4a an einer dem Vibrometer 1 zugewandten Seite an mehreren Messpunkten vermessen werden. Mittels der beweglichen Bildaufnahmeeinheit 6 werden die ortsaufgelösten Bilder gemäß Verfahrensschritt A aufgenommen. Das Vibrometer 1 weist eine ortsfest am Vibrometer 1 angeordnete Bildaufnahmeeinheit 7 sowie eine Fokussiereinrichtung 1a auf. Mittels der Fokussiereinrichtung 1a wird der Messstrahl 3 auf den jeweiligen Messpunkt auf der Oberfläche des Messgegenstandes 4a fokussiert. Die Messvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist als Strahlrichteinheit 2 einen x-y-Tisch auf, so dass das Vibrometer 1 relativ zu dem Messgegenstand 4a in zwei Dimensionen x und y bewegt werden kann. Vorliegend erfolgt mittels der Strahlrichteinheit 2 somit kein Ablenken des Messstrahls 3 relativ zu dem Vibrometer 1, sondern ein Verschieben der gesamten Einheit in x- und/oder y-Richtung.

Das Abgleichverfahren wird analog zu dem bei 1 zuerst beschriebenen Abgleichverfahren durchgeführt.

In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens dargestellt.

Dieses weist im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 drei Vibrometer 1, 1a und 1b auf, welche auf einem gemeinsamen Roboterarm angeordnet sind. Der Roboterarm bildet somit die Strahlrichteinheit 2, mittels derer die Vibrometer 1, 1a und 1b relativ zu dem Messgegenstand 4a bewegt werden können. Bei den Vibrometern 1, 1a und 1b weist lediglich das Vibrometer 1a eine ortsfeste Bildaufnahmeeinheit 7 auf. Die Vibrometer 1, 1a und 1b sind ortsfest zueinander an der Strahlrichteinheit 2 angeordnet, so dass die Bildaufnahmeeinheit 7 ebenso ortsfest zu Vibrometer 1 und 1b ist.

Zu der Messvorrichtung gemäß des dritten Ausführungsbeispiels wird ein Abgleich gemäß Ausführungsbeispiel 1 eines Verfahrens wie bei 1 beschrieben durchgeführt, welches keine zusätzliche ortsfeste Bildaufnahmeeinheit bei den Vibrometern 1 und 1b benötigt. Der Abgleich wird für alle drei Vibrometer durchgeführt, wobei die Verfahrensschritte A und B lediglich einmalig ausgeführt werden müssen.

In 4 sind Ausführungsbeispiele für Bildaufnahmeeinheiten für Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Messvorrichtung und zur Verwendung in Ausführungsbeispielen des Verfahrens schematisch dargestellt:

Die Bildaufnahmeeinheit a) ist als an sich bekannte, handelsübliche Digitalkamera mit einem Objektiv 8 ausgebildet. Die Bildaufnahmeeinheit gemäß b) weist zusätzlich einen Entfernungsmesser 9 auf.

In einer alternativen Ausgestaltung ist das mit Bezugszeichen 9 versehene Element als Beleuchtungseinheit zum Beleuchten des Messobjekts mit gepulstem und/oder moduliertem Licht ausgebildet. Mittels eine Auswerteeinheit wird die Laufzeit (bei gepulstem Licht) und/oder eine Phasenverschiebung (bei moduliertem Licht) zwischen dem von der Beleuchtungseinheit 9 ausgesandten und dem mittels der Digitalkamera empfangenen Licht ausgewertet, um in an sich bekannter Weise eine Abstandsbestimmung, insbesondere gemäß der „time of flight“-Methode durchzuführen.

Diese beiden Kameras können grundsätzlich sowohl als bewegliche Bildaufnahmeeinheit 6, sowie als ortsfeste Bildaufnahmeeinheit 7 eingesetzt werden.

Die Bildaufnahmeeinheit c) ist insbesondere als bewegliche Bildaufnahmeeinheit 6 geeignet:

Die Bildaufnahmeeinheit gemäß c) weist eine Farbbildkamera 10, eine Schwarz-Weiß-Kamera 11, sowie eine Streifenprojektionseinheit 12 auf. Mittels der Streifenprojektionseinheit 12 wird ein Streifenmuster auf das Messobjekt 4 und insbesondere den Messgegenstand 4a projiziert. Mittels der Schwarz-Weiß-Kamera 11 wird ein ortsaufgelöstes Bild aufgenommen. Anschließend werden Streifenprojektionseinheit 12 und Schwarz-Weiß-Kamera 11 abgeschaltet und mittels der Farbbildkamera 10 wird ein ortsaufgelöstes Farbbild aufgenommen. Dieser Ablauf wird in zeitlich kurzer Abfolge wiederholt. Der Benutzer führt die bewegliche Bildaufnahmeeinheit 6, welche als Handgerät ausgebildet ist, um den Messgegenstand 4a herum, so dass eine Mehrzahl ortsaufgelöster Bilder sowohl mittels der Schwarz-Weiß-Kamera 11, als auch mittels der Farbkamera 10 aufgenommen wird. Aus den Bildern der Schwarz-Weiß-Kamera kann durch das an sich bekannte Streifenprojektionsverfahren ein dreidimensionales Modell des Messobjekts 4 erstellt werden. Darüber hinaus können den einzelnen Flächen des dreidimensionalen Modells, insbesondere Flächen eines Polygonnetzes des dreidimensionalen Modells, Bildbestandteile der mittels der Farbbildkamera 10 aufgenommenen Farbbilder zugeordnet werden, so dass nicht nur ein dreidimensionales Modell vorliegt, sondern darüber hinaus für jedes Polygon auch ein Farbbild der zugehörigen Oberfläche.

Die Bildaufnahmeeinheit d) weist lediglich einen Strahl auf, welcher mittels zweier drehbarer Spiegel einer Ablenkeinheit 13 der Bildaufnahmeeinheit d) auf Punkte der Oberfläche des Messobjekts gerichtet werden kann. Die Bildaufnahmeeinheit d) ist als Time-Of-Flight-Einheit ausgebildet: In einem scannenden Verfahren wird der Messstrahl der Bildaufnahmeeinheit d) auf eine Vielzahl von Ortpunkten auf dem Objekt gerichtet. Für jeden Ortspunkt wird ein Lichtpuls ausgesandt und die Zeit gemessen, innerhalb derer der von dem Objekt reflektierte Lichtpunkt wieder bei der Bildaufnahmeeinheit d) eintrifft. In an sich bekannter Weise kann aus der Zeitdifferenz zwischen Absenden des Lichtpulses und Wiedereintreffen des Lichtpulses der Abstand zu dem Objekt zumindest qualitativ bestimmt werden. Aus einem Vergleich der jeweils benötigten Zeitdauern für die Mehrzahl von Messpunkten kann ein dreidimensionales Modell des Objekts erstellt werden. Die Bildaufnahmeeinheit d) ist somit zum Durchführen der Verfahrensschritte A und B geeignet.

Auch hierbei wird zunächst ohne Bewegen der Bildaufnahmeeinheit d) relativ zu dem Messobjekt ein ortsaufgelöstes Bild durch das vorgenannt scannende Verfahren aufgenommen. Anschließend wird die Bildaufnahmeeinheit d) relativ zu dem Messobjekt bewegt, um ein weiteres ortsaufgelöstes Bild aus einer unterschiedlichen Perspektive ebenfalls mittels des scannenden Verfahrens aufzunehmen. Durch Wiederholen dieser Vorgänge werden gemäß Verfahrensschritt A eine Mehrzahl ortsaufgelöster Bilder aus unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen.

5 zeigt schematisch eine projizierte Ansicht des Messobjekts 4 basierend auf dem Messobjekt-Modell sowie darüber stilisiert ein zweidimensionales, ortsaufgelöstes Bild 4' des Messobjekts, welches mit einer Bildaufnahmeeinheit aufgenommen wurde. Wie bereits vorangehend beschrieben, werden zum Auffinden der Position, Richtung und bevorzugt auch von Abbildungsparametern der Bildaufnahmeeinheit bevorzugt projizierte Ansichten des Messobjekts mit dem ortsaufgelösten Bild verglichen. Der Vergleich erfolgt bevorzugt unter Verwendung von identifizierten Merkmalen der Textur des Messobjekts, wie in 5 schematisch durch Kreuz, Kreis und Quadrat auf dem Messgegenstand 4a angedeutet. Diese Merkmale finden sich auch in dem ortsaufgelösten Bild 4' wieder. Wie zuvor beschrieben werden Position, Richtung und bevorzugt Abbildungsparameter der Kamera derart bestimmt, dass die projizierte Ansicht mit dem ortsaufgelösten Bild übereinstimmt oder zumindest näherungsweise übereinstimmt. Hierdurch wird die Position und Ausrichtung der Bildaufnahmeeinheit im Messobjekt-Modell bestimmt. Dadurch ist es wie zuvor beschrieben dann auch möglich, jedem Ort in mithilfe der Bildaufnahmeeinheit aufgenommenen Bildern die zugehörigen 3D-Koordinaten im dreidimensionalen Messobjekt-Modell zuzuordnen.

6 zeigt schematisch eine Ansicht des Messobjekts 4 mit einem durch einen Punkt gekennzeichneten Laserstrahlauftreffpunkt etwa mittig auf dem Messgegenstand 4a. Darüber ist schematisch ein ortsaufgelöstes Bild 4' dargestellt, welches mit einer Bildaufnahmeeinheit aufgenommen wurde. Das Bild 4' umfasst ebenfalls den Laserstrahlauftreffpunkt. Wie zuvor beschrieben, können durch Zuordnen von Koordinaten des Messobjekt-Modells zu den Bildpunkten des Bildes 4' und Lokalisierung des Laserstrahlauftreffpunktes im Bild 4' dem Laserstrahlauftreffpunkt eine Position im Messobjekt-Modell, insbesondere Koordinaten im Koordinatensystem des Messobjekt-Modells, zugeordnet werden, insbesondere, in dem zunächst die Position des Laserstrahlauftreffpunktes im Kamerabild lokalisiert wird und dann die Punkte des Geometriemodells gesucht werden, deren Projektion auf das Kamerabild sehr nah am Abgleichpunkt im Kamerabild liegen. Durch eine Interpolation der 3D Koordinaten dieser Punkte des Geometriemodells können schließlich die 3D-Koordinaten des Abgleichpunkts bestimmt werden.

Bezugszeichenliste

1, 1a, 1b
Vibrometer
2
Strahlrichteinheit
2a
Strahlausgang
3
Messstrahl
4, 4a
Messobjekt
5
Steuereinheit
6
bewegliche Bildaufnahmeeinheit
7
ortsfeste Bildaufnahmeeinheit
8
Objektiv
9
Entfernungsmesser
10
Farbbildkamera
11
s/w-Kamera
12
Streifenprojektionseinheit
13
Ablenkeinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • WO 9315386 [0005, 0050, 0172]
  • US 6711293 B1 [0116]
  • DE 102012211549 B3 [0151]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • Yanchu Xu, R. N. Miles, „An Identification Algorithm for Directing the Measurement Point of Scanning Laser Vibrometers“, Optics and Lasers in Engineering, 22 (1995), 105 - 120 [0011]