Title:
Messvorrichtung zur interferometrischen Vermessung eines Messobjekts
Kind Code:
U1


Abstract:

Messvorrichtung zur interferometrischen Vermessung eines Messobjekts, mit einer oder mehreren Strahlquellen zum Erzeugen zumindest eines Mess- und zumindest eines Referenzstrahls, einem Detektor und einer Auswerteeinheit, welche mit dem Detektor zum Auswerten von Messsignalen des Detektors verbunden ist,
wobei die Messvorrichtung ausgebildet ist, den Messstrahl auf mindestens einen Messpunkt auf dem Messobjekt zu leiten und den zumindest teilweise von dem Messobjekt reflektierte oder gestreute 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 Auswerteeinheit (9) ausgebildet ist, den Strahlverlauf des Messstrahls zu bestimmen. embedded image




Application Number:
DE202018104056U
Publication Date:
07/24/2018
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 interferometrischen Vermessung eines Messobjekts, mit einer oder mehreren Strahlquellen zum Erzeugen zumindest eines Mess- und zumindest eines Referenzstrahls, einem Detektor und einer Auswerteeinheit, welche mit dem Detektor zum Auswerten von Messsignalen des Detektors verbunden ist,
wobei die Messvorrichtung ausgebildet ist, den Messstrahl auf mindestens einen Messpunkt auf dem Messobjekt zu leiten und den zumindest teilweise von dem Messobjekt reflektierte oder gestreute 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 Auswerteeinheit (9) ausgebildet ist, den Strahlverlauf des Messstrahls zu bestimmen.

Messvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung eine Bildaufnahmeeinheit umfasst und ausgebildet ist,
A. eine Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern zumindest einer Messoberfläche des Messobjekts aus unterschiedlichen Perspektiven mittels der Bildaufnahmeeinheit aufzunehmen;
B. ein dreidimensionales Messobjekt-Modell, das zumindest die Messoberfläche des Messobjekts umfasst, mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern der Messoberfläche zu erstellen;
C. ein Messkopf-Modell bereitzustellen, das zumindest ein Messkopfelement umfasst, welches in einem vorgegebenen Bezug zu dem Messstrahl (6) steht;
D. eine Zuordnung zwischen Koordinaten im dreidimensionalen Messobjekt-Modell und Koordinaten im Messkopf-Modell mit Hilfe von einer ersten Struktur im Messobjekt-Modell und einer zweiten Struktur im Messkopf-Modell und abhängig von einem räumlichen Bezug der ersten und zweiten Struktur zueinander, zu erstellen;
E. den Messstrahlverlauf mittels Durchführen von mindestens zwei der folgenden Schritte mittels der Auswerteeinheit (9) zu bestimmen:
Ei. Bestimmung der Koordinaten mindestens eines Ortes, der auf der vom Messstrahl (6) definierten optischen Achse oder in einem vorgegebenen räumlichen Bezug hierzu liegt, anhand des Messkopf-Modells;
Eii. Bestimmung des durch die Messstrahlausbreitungsrichtung (7) vorgegebenen Richtungsvektors anhand des Messkopf-Modells;
Eiii. Bestimmung der Koordinaten des Messstrahlauftreffpunkts des Messstrahls auf dem Messobjekt anhand zumindest eines ortsaufgelösten Bildes, welches den Messstrahlauftreffpunkt auf dem Messobjekt (8) und/oder zumindest einen Hilfsstrahlauftreffpunkt eines mit dem Messstrahl (6) in vorgegebener räumlicher Beziehung stehenden Hilfsstrahls umfasst.

Messvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass erste und zweite Strukturen verwendbar sind, wobei die erste Struktur identisch zu der zweiten Struktur ist, insbesondere, dass das Messobjekt-Modell und das Messkopf-Modell als ein gemeinsames Modell erstellt werden.

Messvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass erste und zweite Strukturen verwendbar sind, wobei die erste Struktur beabstandet zu der zweiten Struktur ist, insbesondere, dass die erste und zweite Struktur nicht überlappen.

Messvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass in Merkmal D ein Überbrückungsobjekt (14) verwendet wird, welches in einem ersten Teilbereich die erste Struktur und in einem zweiten Teilbereich die zweite Struktur aufweist und dass der der räumliche Bezug zwischen erster und zweiter Struktur durch das Überbrückungsobjekt (14) vorgegeben ist.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Struktur zumindest einen ersten optischen Marker und die zweite Struktur zumindest einen zweiten optischen Marker aufweist und dass der räumlich Bezug zwischen erstem und zweitem optischen Marker vorgegeben ist.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung eine Mehrzahl von Messköpfen aufweist, insbesondere, dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass das Verfahren für eine Mehrzahl von Messköpfen mittels eines gemeinsamen Messobjekt-Modells durchgeführt wird.

Messvorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass die Mehrzahl von Messköpfen ortsverschiedene Messstrahlauftreffpunkte auf dem Messobjekt (8) beaufschlagen, dass Merkmal Eiii für jeden Messstrahlauftreffpunkt durchgeführt wird und dass die ortsverschiedenen Messstrahlauftreffpunkte als erste Struktur verwendet werden.

Messvorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass die Merkmale Ei und Eii für jeden Messkopf durchgeführt werden und dass aus den hieraus bestimmten Koordinaten und Richtungsvektoren sowie der Koordinaten der Messstrahlauftreffpunkte der räumliche Bezug zwischen erster und zweiter Struktur ermittelt wird.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass in Merkmal C ein gemeinsames Messkopf-Modell für alle Messköpfe bereitgestellt wird.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass Merkmal C folgende Merkmale umfasst:
Ci. Aufnehmen einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Messkopf-Bildern, welche zumindest das Messkopfelement umfassen, aus unterschiedlichen Perspektiven;
Cii. Erstellen eines Messkopf-Modells, mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Messkopf-Bildern.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass ein Abgleichmodell (1') des Messkopfes vorgegeben wird, welches zumindest einen Teil des Messkopfes zumindest schematisch umfasst, dass der Ort gemäß Ei und/oder die Messstrahlausbreitungsrichtung (7) gemäß Eii in dem Abgleichmodell (1') vorgegeben werden und dass Merkmal Ei und/oder Merkmal Eii mittels Abgleich des Abgleichmodells mit dem Messkopf-Modell durchgeführt wird.

Messvorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass das Abgleichmodell (1') einen eine Messstrahlaustrittsöffnung des Messkopfs umgebenden Bereich umfasst, insbesondere, dass Merkmal Ei mittels des Abgleichs durchgeführt wird.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass das Abgleichmodell (1') Strukturen eines Gehäuses des Messkopfes und/oder einer Einhüllenden geometrischen Struktur des Gehäuses, insbesondere eine Quader oder einen Zylinder umfasst, insbesondere, dass Merkmale Ei und/oder Eii mittels des Abgleichs durchgeführt werden.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass in Merkmal C ein Messkopf-Modell bereitgestellt wird, welches zumindest als Messkopfelement einen Lichtstrahl, insbesondere einen Mess- und/oder Hilfsstrahl, aufweist, der in einem vorgegebenen Bezug zu dem Messstrahl (6) steht.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass mittels des Messstrahls eine interferometrische Messung an dem Messobjekt (8) durgeführt wird und die interferometrische Messung unter Berücksichtigung des Messstrahlverlaufs ausgewertet wird.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass die optische Achse des zum dem Messobjekt hinlaufenden Messstrahls und die optische Achse des von dem Messobjekt rücklaufenden Messstrahls einen Winkel einschließen und der Verlauf der Winkelhalbierenden dieses Winkels als Messstrahlverlauf bestimmt wird.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur interferometrischen Vermessung eines Messobjekts.

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.

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.

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“ bzw. „Bestimmung des Strahlverlaufs des Messstrahls“ 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 daher wünschenswert, den Strahlverlauf des Messstrahls zu bestimmen, insbesondere den Auftreffwinkel des Messstrahls auf das Objekt am Messpunkt. Häufig ist es gewünscht, die Schwingung in Richtung der Flächennormalen einer den Messpunkt umgebenden Fläche zu bestimmen. Anhand des Auftreffwinkels kann dann die Schwingungskomponente in Richtung der Oberflächennormalen berechnet werden. Ebenfalls gängig sind Messsysteme, welche mehrere Messstrahlen auf einen Messpunkt aus unterschiedlichen Richtungen richten. Anhand der Messstrahlverläufe der zur Messung verwendeten Messstrahlen kann dann über eine Transformationsmatrix die richtungsabhängige Schwingung berechnet werden, allgemein wird dies auch als 3D Messung einer Schwingung bezeichnet. Eine genaue Erfassung der Messstrahlverläufe ist aus diesem Grund von großer Bedeutung.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung mit einer für den Benutzer vereinfachte Bestimmung des Strahlverlaufs eines Messstrahls einer interferometrischen Messvorrichtung zur Verfügung zu stellen.

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

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur interferometrischen Vermessung eines Messobjekts weist eine oder mehrere Strahlquellen zum Erzeugen zumindest eines Mess- und zumindest eines Referenzstrahls, einen Detektor und eine Auswerteeinheit auf. 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.

Bevorzugt weist die Messvorrichtung eine Strahlquelle, insbesondere eine Laserstrahlquelle, und zumindest einen Strahlteiler auf. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird ein von der Strahlquelle erzeugter Ursprungsstrahl mittels des Strahlteilers in den zumindest einen Mess- und zumindest einen Referenzstrahl aufgeteilt. Die Strahlquelle ist somit bevorzugt als Laserstrahlquelle ausgebildet; Der Ursprungsstrahl ist somit bevorzugt ein Laserstrahl.

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.

Die Messvorrichtung ist somit als interferometrische Messvorrichtung ausgebildet. Bevorzugt ist die Messvorrichtung als Vibrometer, insbesondere als Laser-Doppler-Vibrometer ausgebildet.

Wesentlich ist, dass die Auswerteeinheit ausgebildet ist, den Strahlverlauf des Messstrahls zu bestimmen. Hierbei ist die Messvorrichtung bevorzugt ausgebildet,

  1. A. eine Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern zumindest einer Messoberfläche des Messobjekts aus unterschiedlichen Perspektiven mittels der Bildaufnahmeeinheit aufzunehmen;
  2. B. ein dreidimensionales Messobjekt-Modell, das zumindest die Messoberfläche des Messobjekts umfasst, mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern der Messoberfläche zu erstellen;
  3. C. ein Messkopf-Modell bereitzustellen, das zumindest ein Messkopfelement umfasst, welches in einem vorgegebenen Bezug zu dem Messstrahl steht;
  4. D. eine Zuordnung zwischen Koordinaten im dreidimensionalen Messobjekt-Modell und Koordinaten im Messkopf-Modell mit Hilfe von einer ersten Struktur im Messobjekt-Modell und einer zweiten Struktur im Messkopf-Modell und abhängig von einem räumlichen Bezug der ersten und zweiten Struktur zueinander, zu erstellen;
  5. E. den Messstrahlverlauf mittels Durchführen von mindestens zwei der folgenden Schritte mittels der Auswerteeinheit zu bestimmen:
    • Ei. Bestimmung der Koordinaten mindestens eines Ortes, der auf der vom Messstrahl definierten optischen Achse oder in einem vorgegebenen räumlichen Bezug hierzu liegt, anhand des Messkopf-Modells;
    • Eii. Bestimmung des durch die Messstrahlausbreitungsrichtung vorgegebenen Richtungsvektors anhand des Messkopf-Modells;
    • Eiii. Bestimmung der Koordinaten des Messstrahlauftreffpunkts des Messstrahls auf dem Messobjekt anhand zumindest eines ortsaufgelösten Bildes, welches den Messstrahlauftreffpunkt auf dem Messobjekt und/oder zumindest einen Hilfsstrahlauftreffpunkt eines mit dem Messstrahl in vorgegebener räumlicher Beziehung stehenden Hilfsstrahls umfasst.

Hierbei werden die nachfolgen bei Erläuterung des Verfahrens genannten Vorteile erzielt.

Die Messvorrichtung ist bevorzugt zur Durchführung eines nachfolgend beschriebenen Verfahrens zur Bestimmung des Strahlverlaufs eines Messstrahls 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 Verfahren zur Bestimmung des Strahlverlaufs eines Messstrahls einer interferometrischen Messvorrichtung weist folgende Verfahrensschritte auf:

In einem Verfahrensschritt A erfolgt ein Aufnehmen einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern zumindest einer Messoberfläche des Messobjekts aus unterschiedlichen Perspektiven. In einem Verfahrensschritt B erfolgt ein Erstellen eines dreidimensionalen Messobjekt-Modells, das zumindest die Messoberfläche des Messobjekts umfasst, mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern der Messoberfläche. In einem Verfahrensschritt C erfolgt ein Bereitstellen eines Messkopf-Modells, das zumindest die Messstrahlaustrittsöffnung des Messkopfs und/oder eines damit ortsfest verbundenen Elementes umfasst. In einem Verfahrensschritt D erfolgt ein Erstellen einer Zuordnung zwischen Koordinaten im dreidimensionalen Messobjekt-Modell und Koordinaten im Messkopf-Modell mithilfe von einer ersten Struktur im Messobjekt-Modell und einer zweiten Struktur im Messkopf-Modell und abhängig von einem räumlichen Bezug der ersten und zweiten Struktur zueinander. In einem Verfahrensschritt E erfolgt ein Bestimmen des Messstrahlverlaufs mittels Durchführen von mindestens zwei der folgenden Schritte:

  • Ei. Bestimmung der Koordinaten mindestens eines Ortes, der auf der vom Messstrahl definierten optischen Achse oder in einem vorgegebenen räumlichen Bezug hierzu liegt, anhand des Messkopf-Modells;
  • Eii. Bestimmung des durch die Messstrahlausbreitungsrichtung vorgegebenen Richtungsvektors anhand des Messkopf-Modells;
  • Eiii. Bestimmung der Koordinaten des Messstrahlauftreffpunkts des Messstrahls und/oder zumindest einen Hilfsstrahlauftreffpunkt eines mit dem Messstrahl in vorgegebener räumlicher Beziehung stehenden Hilfsstrahls auf dem Messobjekt anhand zumindest eines ortsaufgelösten Bildes, welches den Messstrahlauftreffpunkt und/oder den zumindest einen Hilfsstrahlauftreffpunkt auf dem Messobjekt umfasst.

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

Mittels des Verfahrens kann somit der Strahlverlauf des Messstrahls bestimmt werden, wobei das in den Verfahrensschritten A und B erstellte dreidimensionale Modell zumindest der Messoberfläche des Messobjekts verwendet wird. Hierdurch wird eine erhebliche Vereinfachung für den Benutzer erzielt, da Verfahrensschritt A für den Benutzer in unaufwendiger Weise durchführbar ist und hierauf basierend automatisiert die Bestimmung des Strahlverlaufs erfolgen kann.

Durch den Strahlverlauf stehen somit weitere Informationen, insbesondere der Auftreffwinkel des Messstrahls auf den Messpunkt des Objekts im dreidimensionalen Modell, das heißt in einem Koordinatensystem des Messobjekts, zur Verfügung, sodass eine zusätzliche Verarbeitung der Messdaten basierend auf den Daten des Strahlverlaufs erfolgen kann.

Die Aufnahme der ortsaufgelösten Bilder aus verschiedenen Perspektiven in Verfahrensschritt A ermöglicht eine erheblich genauere Erstellung eines dreidimensionalen Messobjekt-Modells: Bei Aufnahmen 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 präzise Bestimmung eines dreidimensionalen Modells und insbesondere 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 B eine erheblich höhere Genauigkeit insbesondere in drei Raumdimensionen ermöglicht. Hierdurch wird auch die Bestimmung des Strahlverlaufs entsprechend genauer. Die Ausgestaltung des Verfahrensschrittes A mittels der Aufnahme von ortsaufgelösten Bildern aus verschiedenen Perspektiven bildet somit die Basis für eine benutzerfreundliche und präzise Bestimmung des Strahlverlaufs.

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 Messpunkte 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.

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.

In Verfahrensschritt A erfolgt ein Aufnehmen einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern zumindest einer Messoberfläche des Messobjekts aus unterschiedlichen Perspektiven. Die Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern können mit einer oder mit mehreren Bildaufnahmeeinheiten aufgenommen werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern mittels einer beweglichen Bildaufnahmeeinheit aufgenommen, insbesondere einer durch den Benutzer bewegten Bildaufnahmeeinheit.

Als Bildaufnahmeeinheit insbesondere in Verfahrensschritt A und/oder C 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 ortsaufgelöster 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. Aufgrund des zeitlich kurzen Abstandes ist die Perspektive und die Position der bei den 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.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird mit einer Bildaufnahmeeinheit zumindest ein ortsaufgelöstes Bild zumindest einer Teilfläche des Messobjekts aufgenommen, welche den Messstrahlauftreffpunkt und/oder den Hilfsstrahlauftreffpunkt während der Beaufschlagung des Auftreffpunktes durch den Strahl umfasst. In diesem ortsaufgelösten Bild kann somit der Auftreffpunkt lokalisiert werden. Die Lokalisierung erfolgt bevorzugt durch Ermitteln der Bildkoordinaten des Auftreffpunktes, einer x,y-Position oder einer Bildpixellokalisierung des Auftreffpunktes im ortsaufgelösten Bild oder einer Kombination hiervon, insbesondere bevorzugt wie in 9 und der Figurenbeschreibung näher erläutert. Für typische Beleuchtungssituationen weist der durch den Strahl beaufschlagte Auftreffpunkt ortsaufgelösten Bild eine höhere Intensität, insbesondere größere Helligkeit, verglichen mit den umgebenden Bildpunkten auf. Eine Lokalisierung des Auftreffpunkts erfolgt somit in einer vorteilhaften Ausführungsform durch Lokalisierung des Bildpunktes mit der größten Lichtintensität.

In der Mehrzahl der typischen Messsituationen weist der Strahl eine zu der Oberfläche des Messobjekts unterschiedliche Farbe auf. Eine Lokalisierung des Auftreffpunkts erfolgt somit in einer vorteilhaften Ausführungsform durch Lokalisierung eines Farbpunktes in der Farbe des Mess- oder Hilfsstrahls.

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

Insbesondere ist es vorteilhaft, dass das ortsaufgelöste Bild, welches den durch den Strahl beaufschlagten Auftreffpunkt aufweist, eines der Messobjekt-Bilder zum Erstellen des dreidimensionalen Modells in Verfahrensschritt B ist. Hierdurch werden in einfacher Weise die Koordinaten des Auftreffpunkts im Messobjekt-Modell bestimmbar, so dass Verfahrensschritt Eiii in einfacher Weise ausführbar ist.

In Verfahrensschritt B erfolgt ein Erstellen eines dreidimensionalen Messobjekt-Modells, das zumindest die Messoberfläche des Messobjekts umfasst, mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern der Messoberfläche gemäß Verfahrensschritt A. Das Erstellen erfolgt bevorzugt durch die Verwendung von Photogrammetrie. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist somit ebenfalls durch die Verwendung von Photogrammetrie zur Bestimmung des Strahlverlaufs eines Messstrahls einer interferometrischen Messvorrichtung gelöst.

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.

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 Vorrichtungen 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.

Mit diesen Bildaufnahmeeinheiten und dem vorbeschriebenen Verfahren ist es somit insbesondere möglich, einem Bildpunkt eines ortsaufgelösten Bildes, welches zumindest einen Teil des 3D-Modells zeigt, Ortskoordinaten im 3D-Modell zuzuordnen. Vorteilhafterweise wird daher ein ortsaufgelöstes Bild, welches des Messstrahlauftreffpunkt und/oder einen Hilfsstrahlauftreffpunkt enthält, wie zuvor beschrieben verwendet, um die Ortskoordinaten des Auftreffpunktes im Messobjekt-Modell zu bestimmen.

In Verfahrensschritt C erfolgt ein Bereitstellen eines Messkopf-Modells, das zumindest ein Messkopfelement umfasst, welches in einem vorgegebenen Bezug zu dem Messstrahl steht.

Das Messkopf-Modell wird verwendet, um eine Zuordnung geometrischer Daten des Messstrahls zu dem dreidimensionalen Messkopf-Modell zu ermöglichen, wie nachfolgend näher erläutert. Das Messkopf-Modell umfasst daher zumindest ein Messkopfelement, welches in einem vorgegebenen Bezug zu dem Messstrahl steht. Bevorzugt wird weiterhin die Position und Ausrichtung des Messkopfelementes im Messkopf-Modell vorgegeben, insbesondere ein Koordinatensystem des Messkopf-Modells über Ortspunkte des Messkopfelements definiert.

„Vorgegeben“ bedeutet im Sinne dieser Anmeldung, dass die entsprechende Information vorhanden ist und verwendet werden kann, beispielsweise auf einem Datenspeicher gespeichert ist und mittels einer entsprechenden Leseeinheit zur weiteren Verarbeitung der Information ausgelesen werden kann. Ebenso kann eine vorgegebene Information aus weiteren beschriebenen Verfahrensschritten folgen und als Ergebnis dieser Verfahrensschritte vorgegeben sein, insbesondere durch bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens, welche solche Verfahrensschritte enthalten.

Beispiele für Messkopfelemente und einen zugeordneten vorgegebenen Bezug zu dem Messstrahl sind nachfolgend als bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrensschritts C aufgeführt:

Messkopfelementvorgegebener BezugAustrittsöffnung des Messkopfs für den Messstrahl, beispielsweise der Rand der Austrittsöffnung, welcher durch einen Kreis definiert wird.Position des Messstrahlaustritts innerhalb der AustrittsöffnungAustrittsöffnung des Messkopfs für den Messstrahl, beispielsweise der Rand der Austrittsöffnung, welcher durch einen Kreis definiert wird.Richtungsvektor des Messstrahls anhand einer Normale zur Ebene, die im Beispiel durch den Rand der Austrittsöffnung definiert ist.Insbesondere in Kombination mit der Position des Messstrahlaustritts, ist der Messstrahlverlauf dann vollständig definiert.Element am Gehäuse des Messkopfes oder ein ortsfest mit dem Messkopf verbundenes Element. Dies sind beispielsweise Kanten oder Vertiefungen des Gehäuses.Position des Messstrahlaustritts relativ zu dem Element.Element am Gehäuse des Messkopfes oder ein ortsfest mit dem Messkopf verbundenes Element. Dies sind beispielsweise Kanten oder Vertiefungen des Gehäuses.Richtungsvektor des Messstrahls anhand des gegebenen Bezugselements.Insbesondere in Kombination mit der Position des Messstrahlaustritts, ist der Messstrahlverlauf dann vollständig definiert.Element am Gehäuse des Messkopfes oder ein ortsfest mit dem Messkopf verbundenes Element. Dies sindAbstand des Elementes zu dem Messstrahl und/oder ein Winkel, welcher das Element mit dem Messstrahl einschließt, insbesondere,beispielsweise Kanten oder Vertiefungen des Gehäuses.dass sich das Element parallel zu dem Messstrahl erstrecktfeststellbares Ausrichtelement, zum Drehen, Kippen und/oder Verschieben des MesskopfesAbstand des Elementes zu dem Messstrahl, insbesondere zum Drehpunkt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stellen Lichtstrahlen, welche in einem vorgegebenen räumlichen Bezug zu dem Messstrahl stehen, Messkopfelemente dar. Solche Lichtstrahlen können Hilfsstrahlen und/oder weitere Messstrahlen sein. In dieser bevorzugten Ausführungsform weist das Messkopfmodell somit als Information die räumliche Anordnung der Lichtstrahlen zueinander und zu dem Messstrahl auf. Es ist somit nicht zwingend notwendig, dass das Messkopfmodell Informationen über ein gegenständliches Messkopfelement enthält.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird daher in Verfahrensschritt C ein Messkopf-Modell bereitgestellt, welches zumindest als Messkopfelement einen Lichtstrahl, insbesondere einen Mess- und/oder Hilfsstrahl, aufweist, der in einem vorgegebenen Bezug zu dem Messstrahl steht.

Die Lichtstrahlen und deren räumliche Anordnung relativ zu dem Messstrahl stellen somit bevorzugt eine zweite Struktur im Messkopf-Modell für die nachfolgend zu Verfahrensschritt D beschriebene Zuordnung dar. Die Information über die räumliche Anordnung der Lichtstrahlen relativ zu dem Messstrahl kann in an sich bekannter Weise, insbesondere über Ortskoordinaten und/oder Vektoren in einem Messkopf-Koordinatensystem vorgegeben werden. Ebenso liegt die Vorgabe in anderer Weise, insbesondere mittels einer oder mehrerer mathematischer Formeln im Rahmen der Erfindung. Sind beispielsweise Ortskoordinaten von Auftreffpunkten der Lichtstrahlen bekannt oder werden wie nachfolgend beschrieben ermittelt, so kann basierend auf der Kenntnis der räumlichen Anordnung der Lichtstrahlen relativ zu dem Messstrahl eine geschlossene mathematische Formel angegeben werden, welche abhängig von den Koordinaten der Auftreffpunkte eine Information über den Strahlverlauf des Messstrahls ergibt, beispielsweise einen Auftreffwinkel des Messstrahls. In diesem Fall ist das Messkopf-Modell somit durch die mathematische Formel gegeben.

In bevorzugter Weise wird das Messkopfelement als vollständige schematische Repräsentation des Messkopfes hinterlegt, in welcher der Verlauf des Messstrahls definiert ist. Bei der späteren Verwendung in Verfahrensschritt C, insbesondere im nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritt C3 können dann die nicht benötigten Teilbereiche ausgeblendet werden.

Das Messkopf-Modell ermöglicht somit die Bestimmung von Daten über den Strahlverlauf des Messstrahls zumindest im Messkopf-Modell. Bevorzugt erfolgt daher in Verfahrensschritt C zumindest eine der folgenden Bestimmungen, ganz besonders bevorzugt beide der folgenden Bestimmungen:

  1. a) Bestimmung der Koordinaten mindestens eines Ortes im Messkopf-Modell, der auf der vom Messstrahl definierten optischen Achse oder in einem vorgegebenen räumlichen Bezug hierzu liegt und/oder
  2. b) Bestimmung des durch die Messstrahlausbreitungsrichtung vorgegebenen Richtungsvektors im Messkopf-Modell oder eines zweiten Ortes im Messkopf-Modell, der auf der vom Messstrahl definierten optischen Achse oder in einem vorgegebenen räumlichen Bezug hierzu liegt.

Die Bestimmung erfolgt anhand des vorgegebenen Bezugs zwischen Messkopfelement und Messstrahl. Der vorgegebene Bezug kann wie zuvor beschrieben unmittelbar als räumlicher Zusammenhang zwischen dem Messkopfelement und einem Ort gemäß a) und/oder einer Ausbreitungsrichtung oder eines zweiten Ortes gemäß b) vorgegeben sein.

Ebenso kann der vorgegebene Bezug alternativ oder zusätzlich über weitere Verfahrensschritte zu einer Bestimmung von Daten über den Strahlverlauf, insbesondere gemäß a) und/oder b) führen, wie nachfolgend anhand weiterer vorteilhafter Ausführungsformen C1, C2, C3 und C4 des Verfahrensschrittes C erläutert:

In einer bevorzugten Ausführungsform wird in einem Verfahrensschritt C1. das Messkopf-Modell mittels folgender Verfahrensschritte Ci. und Cii. bereitgestellt:

  • Ci. Aufnehmen einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Messkopf-Bildern, welche zumindest das Messkopfelement umfassen, aus unterschiedlichen Perspektiven;
  • Cii. Erstellen eines Messkopf-Modells, mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Messkopf-Bildern.

In der vorteilhaften Ausführungsform mit Verfahrensschritt C1. ergibt sich somit der Vorteil, dass zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, die zum Bereitstellen des Messkopf-Modells notwendigen Daten durch Aufnahme der ortsaufgelösten Messkopf-Bilder erfasst werden. Insbesondere kann in einer weiter vorteilhaften Ausführungsform das Erstellen des Messkopf-Modells analog zu den Verfahrensschritten A und B erfolgen: Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, dass sämtliche ortsaufgelöste Bilder gemäß Verfahrensschritt A und Verfahrensschritt C mittels einer gemeinsamen Bildaufnahmeeinheit erfasst werden. 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 C (insbesondere Ci.).

In einer weiteren vorteilhaften, für den Benutzer unaufwendigen Ausführungsform ist Verfahrensschritt C in Verfahrensschritt A integriert.

Die ortsaufgelösten Bilder zur Erstellung des Messkopf-Modells werden bevorzugt mittels einer in Verfahrensschritt A genannten Bildaufnahmeeinheit aufgenommen. Die Erstellung des dreidimensionalen Modells erfolgt bevorzugt mittels Photogrammetrie, insbesondere bevorzugt wie bei Verfahrensschritt B beschrieben.

In der vorteilhaften Ausführungsform C1 kann der räumliche Bezug des Messstrahls zu dem Messkopf-Modell auf verschiedene Weise vorgegeben werden: So liegt es im Rahmen der Erfindung, dass ein Benutzer manuell einen Punkt auf der optischen Achse des Messstrahls, insbesondere einen Austrittspunkt des Messstrahls am Messkopf auf einem oder mehreren der in Ci aufgenommenen Bildern oder im Messkopf-Modell aus Cii auswählt, insbesondere durch Anwählen auf einer Bildanzeige, beispielsweise mittels einer Maus. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass mit Bildverarbeitungsverfahren im Messkopf-Modell das Messkopfelement ermittelt wird. Hierzu weist bevorzugt der Messkopf optisch hervorstechende Merkmale zur Identifizierung, insbesondere einen oder bevorzugt mehrere optische Marker auf. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Messkopf optische Marker auf, welche eine Identifizierung der Austrittsöffnung für den Messstrahl ermöglichen. Solche optischen Marker können nach Art eines Fadenkreuzes ausgebildet sein, in deren Zentrum die Austrittsöffnung liegt. Mittels an sich bekannter Bildverarbeitungsalgorithmen können im Messkopf-Modell die optischen Marker wie das Fadenkreuz identifiziert werden, so dass automatisiert die Position der Messstrahlaustrittsöffnung im Messkopf-Modell identifiziert werden kann. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrensschrittes C1 wird zur Vorgabe des räumlichen Bezugs ein Abgleichmodell verwendet, wie nachfolgend zu Verfahrensschritt C3 beschrieben.

Die Bestimmung von Daten über den Strahlverlauf in Verfahrensschritt C kann mittels eines vorgegebenen Modells erfolgen: In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt in einem Verfahrensschritt C2 die Bereitstellung eines vorgegebenen Modells, insbesondere eines auf einem Speichermedium gespeicherten und hiervon ausgelesenen Modells. In einigen Messsituationen liegen bereits dreidimensionale Modelle des Messkopfes oder zumindest von Teilen des Messkopfes, insbesondere eines Messkopfelementes, vor. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn für die Konstruktion des Messkopfes bereits CAD- oder FE-Modelle erstellt wurden. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird daher in verfahrensökonomischer Ausbildung des Verfahrensschritts C als Verfahrensschritt C2 ein vorgegebenes Modell verwendet. Dies ist insbesondere in Kombination mit mehreren Messstrahlen und/oder mehreren Hilfsstrahlen vorteilhaft, wie weiter unten beschrieben.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrensschrittes C als Verfahrensschritt C3 wird ein Abgleichmodell des Messkopfes vorgegeben, welches zumindest einen Teil des Messkopfes zumindest schematisch umfasst.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Abgleichmodell ein vorgegebenes Modell, beispielsweise basierend wie zuvor beschrieben auf CAD-Daten, FE-Daten oder vorausgegangenen Schritten zum Bereitstellen eines Messkopf-Modells. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Abgleichmodell eine schematische Struktur des Messkopfes, insbesondere lediglich eine schematische Struktur des Messkopfes. In dieser vorteilhaften Ausführungsform wird somit lediglich in abstrahierter Weise die Form des Messkopfes oder von Teilen des Messkopfes vorgegeben. Häufig weisen Messköpfe einfache geometrische Formen auf. Insbesondere sind in etwa zylinderförmige oder quaderförmige Messköpfe bekannt oder Messköpfe, deren Form aus einer Kombination weniger Zylinder und Quader angenähert werden kann. In besonders verfahrensökonomischer Weise kann daher eine näherungsweise geometrische Struktur, wie beispielsweise ein Zylinder oder Quader oder eine Kombination aus Zylindern und Quadern, als Abgleichmodell vorgegeben werden. Im Unterschied zu Verfahrensschritt C2 erfolgt in der vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Verfahrensschritt C3 zusätzlich ein Abgleich des Abgleichmodells mit einem Messkopf-Modell, welches durch Erfassen mehrerer ortsaufgelöster Bilder aus mehreren Perspektiven erstellt wurde, insbesondere wie zu den Verfahrensschritten Ci und Cii beschrieben.

Das Abgleichmodell weist als zusätzliche Information einen vorgegebenen Bezug zu dem Messstrahl auf. Das vorgegebene Modell enthält somit das Messkopfelement gemäß Verfahrensschritt C oder stellt das Messkopfelement gemäß Verfahrensschritt C dar. Im Unterschied zu Verfahrensschritt C2 erfolgt in Verfahrensschritt C3 zusätzlich ein Abgleich mit dem zuvor genannten auf den ortsaufgelösten Bildern aus mehreren Perspektiven basierenden Modell, sodass im Ergebnis ein Gesamtmesskopf-Modell vorliegt, welches das auf der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern aus verschiedenen Perspektiven basierende Modell und die Information des Abgleichmodells, insbesondere mit dem vorgegebenen Bezug zu dem Messstrahl umfasst.

Der Abgleich mit dem Abgleichmodell erfolgt bevorzugt mittels an sich bekannter Verfahrensschritte:

Die Vorgehensweise ist hierbei bevorzugt in zwei sequenzielle Schritte gegliedert. Erstens wird die Transformation bestimmt, welche das Abgleichmodell in das Messkopf-Modell transformiert (Rotation und Translation). Dieser Vorgang wird allgemein als Globale Registrierung bezeichnet. Anschließend wird die Transformation so verfeinert, dass die Punktwolken von Messkopf-Modell und Abgleichmodell zur besten Deckung gebracht werden. Anhand der bestimmten Transformation können jegliche Punkte und Vektoren, welche mit dem Abgleichmodell verknüpft sind, anschließend in das Messkopf-Modell transformiert werden, z.B. Messstrahlaustrittspunkt, Messstrahlverlauf oder Hilfsstrahlaustrittspunkt und -verlauf).

Die Globale Registrierung kann beispielsweise über Fast Point Feature Histograms (FPFH) erfolgen (DOI:10.1109/ROBOT.2009.5152473. Diese repräsentieren Punkte mit ihren lokalen Eigenschaften (umgebende Punkte, Oberflächennormale etc.) in einem multidimensionalen Raum. Sowohl für das verwendete Abgleichmodell als auch für das Messkopf-Modell werden diese FPFH berechnet und in einem iterativen Verfahren Punktkorrespondenzen ausgewählt und die resultierende Transformation berechnet. Die Abweichungen nach diesem Schritt sind im Regelfall so klein, dass in einem zweiten Schritt ohne die Verwendung von FPFH eine Verfeinerung der Transformation erfolgen kann.

Für initial grob ausgerichtete Modelle wird für die Verbesserung des Abgleichs häufig ein Iterative Closest Point (ICP) Algorithmus angewendet, z. B. gemäß DOI: 10.1109/IM.2001.924423. Dieser bestimmt aus der Punktwolke des Messkopf-Modells die Punkte mit dem geringsten Abstand im Abgleichmodell und passt die Transformation so an, dass deren Abstand minimiert wird (Point-to-Point). Die selektierten Punkte werden anhand eines Grenzwertes gefiltert. In mehreren Iterationsschritten wird die Transformation verbessert und immer mehr Punkte selektiert und zur Deckung gebracht. Zusätzlich zum Punktabstand kann auch die Oberflächennormale verwendet werden (Point-to-Plane).

Umgekehrt kann auch das Messkopf-Modell in das Abgleichmodell transformiert werden. Die Ergebnisse sind gleichwertig.

Abgleichmodelle können beispielsweise aus CAD-Modellen abgeleitet werden. Hierbei werden auf den bekannten Oberflächen Punkte interpoliert und ggf. anhand der Dreiecke die Oberflächennormale für jeden Punkt berechnet.

Alternativ kann ein schematisches Abgleichmodell hinterlegt werden, welches den Messkopf anhand von geometrischen Grundobjekten (Quader, Zylinder, Kugel, usw.) beschreibt. Für die Grundobjekte lassen sich auf deren Oberflächen Punkte mit beliebiger Dichte berechnen und ebenfalls die Oberflächennormale bestimmen.

Die Verwendung einer Kombination aus CAD-Modell und schematischem Abgleichmodell wird folgend als beispielhafte Ausführung beschrieben. Es werden ein CAD-Modell des gesamten Messkopfes und eines Objektivs des Messkopfs als schematisches Modell verwendet:

  1. 1. Berechnung der FPFH sowohl für das CAD-Modell (Abgleichmodell) als auch für das Messkopf-Modell.
  2. 2. Globale Registrierung der beiden Modelle
  3. 3. Verfeinerung der Transformation mittels ICP Algorithmus
  4. 4. Weitere Verfeinerung der Transformation mittels ICP Algorithmus unter Verwendung des schematischen Modells.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform in Ausbildung des Verfahrensschritts C als Verfahrensschritt C4 wird ein Messkopf-Modell bereitgestellt, welches zusätzlich Messdaten enthält. In dieser vorteilhaften Ausführungsform wird eine Haltevorrichtung für den Messkopf benutzt, welche zumindest einen Positionsdetektor enthält. Der Messkopf ist derart an der Haltevorrichtung angeordnet, dass die Position des Messkopfes relativ zu der Haltevorrichtung geändert werden kann und die Position und/oder die Positionsänderung durch den Positionsdetektor detektiert wird. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass der Messkopf in einer oder bevorzugt zwei Achsen drehbar an der Haltevorrichtung angeordnet ist und der Positionsdetektor entsprechend eine Drehung des Messkopfes in einer oder zwei Achsen detektiert. Alternativ oder zusätzlich liegt es im Rahmen der Erfindung, dass der Positionskopf verschiebbar, insbesondere translatorisch verschiebbar an der Haltevorrichtung angeordnet ist und entsprechend der Positionsdetektor den Ort und/oder die Strecke der translatorischen Verschiebung detektiert.

In dieser vorteilhaften Ausführungsform wird bevorzugt ein Modell bereitgestellt, welches zumindest ein mit der Haltevorrichtung in einem vorgegebenen Bezug stehendes Element umfasst. Weiterhin werden bevorzugt Daten vorgegeben, mittels derer abhängig von den Messdaten des Positionsdetektors ein räumlicher Bezug des Messstrahls zu der Haltevorrichtung oder zumindest dem zuvor genannten mit der Haltevorrichtung in einem vorgegebenen Bezug stehenden Elementes bestimmt werden kann.

Bei der vorteilhaften Ausführungsform gemäß Verfahrensschritt C4 ist es somit ausreichend, die Haltevorrichtung oder ein mit der Haltevorrichtung in einem vorgegebenen Bezug stehendes Element dem Messobjekt-Modell zuzuordnen, insbesondere mit einer Koordinatenzuordnung wie nachfolgend zu Verfahrensschritt D beschrieben. Die räumliche Zuordnung zwischen Haltevorrichtung und Messstrahl in Verfahrensschritt E erfolgt unter zusätzlicher Zuhilfenahme der Messdaten des Positionsdetektors und der vorgegebenen Information, um aus den Messdaten den räumlichen Bezug zwischen Messstrahl und Haltevorrichtung bzw. hierzu in einem vorgegebenen räumlichen Bezug stehenden Element abzuleiten.

Die zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen C1 bis C4 können als alternative Ausführungsformen gewählt werden. Ebenso liegt die Kombination zweier oder mehrerer Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung. Insbesondere die Kombination der Verfahrensschritte C1 und C3 ist wie zuvor beschrieben vorteilhaft, da in für den Benutzer unaufwendiger Weise gemäß Verfahrensschritt Ci mehrere ortsaufgelöste Bilder zumindest des Messkopfelements aufgenommen werden, insbesondere nach Cii bereits ein Messkopfmodell erstellt wurde, ein räumlicher Bezug des Messkopfelements zu dem Messstrahl jedoch durch das Abgleichmodell vorgegeben wird, das insbesondere bereits herstellerseitig vorgegeben werden kann.

Das dreidimensionale Messobjekt-Modell und/oder das Messkopf-Modell, bevorzugt beide Modelle, sind vorteilhafterweise in der an sich aus der Photogrammetrie zur Erfassung der Form von dreidimensionalen Objekten bekannten Art ausgebildet.

Insbesondere liegt es im Rahmen der Erfindung, in Verfahrensschritt B ein dreidimensionales Modell zu erstellen, welches eine Punktwolke oder 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 Punkte 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 und die TexturInformation der Oberfläche mit Hilfe der Dreiecke, bevorzugt durch Projektion auf die Dreiecke, dargestellt wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Messvorrichtung eine Fokussiereinrichtung für den Messstrahl 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 zur Messvorrichtung auf, so dass die Fokussiereinheit auf den jeweiligen Messpunkt eingestellt werden muss, bevorzugt automatisch mittels einer zugehörigen Steuereinheit, die gegebenenfalls mit der den Messstrahlverlauf ermittelnden Auswerteeinheit verbunden ist.

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.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird das Verfahren für eine Mehrzahl von Messköpfen durchgeführt, bevorzugt mittels eines gemeinsamen Messobjekt-Modells. In dieser vorteilhaften Ausführungsform kann somit der Strahlverlauf für eine Mehrzahl von Messköpfen mit einer Mehrzahl von Messstrahlen ermittelt werden, wobei jedoch lediglich ein Messobjekt-Modell erstellt werden muss.

Vorteilhafterweise wird in Verfahrensschritt C ein gemeinsames Messkopf-Modell für alle Messköpfe bereitgestellt. Hierdurch ist in verfahrensökonomischer Weise bereits ein Bezug der Messstrahlen der Messköpfe zueinander durch das gemeinsame Messkopf-Modell für alle Messköpfe gegeben.

Ist für einen Messstrahl der Strahlverlauf bestimmt, so kann basierend auf dem vorgenannten Bezug der Messstrahlen auch der Strahlverlauf der anderen Messstrahlen in verfahrensökonomischer Weise ermittelt werden.

Das Messkopf-Modell ermöglicht somit eine Bestimmung des Strahlverlaufs im Koordinatensystem des Messobjekts, sofern eine Koordinatenzuordnung zwischen Messkopf-Modell und Messobjekt-Modell erfolgt, wie nachfolgend beschrieben.

In Verfahrensschritt D erfolgt ein Erstellen einer Zuordnung zwischen Koordinaten im dreidimensionalen Messobjekt-Modell und Koordinaten im Messkopf-Modell mithilfe von einer ersten Struktur im Messobjekt-Modell und einer zweiten Struktur im Messkopf-Modell und abhängig von einem räumlichen Bezug der ersten und der zweiten Struktur zueinander.

Mittels Verfahrensschritt D werden somit die beiden Modelle in Beziehung zueinander gesetzt. Hierdurch ist es möglich, beliebige Koordinaten im Messobjekt-Modell in Koordinaten des Messkopf-Modells umzurechnen und umgekehrt.

Die Koordinatensysteme der Modelle 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.

Für Verfahrensschritt D ist es somit wesentlich, dass ein räumlicher Bezug der ersten und der zweiten Struktur bekannt ist oder ermittelt wird. Über diesen räumlichen Bezug erfolgt die entsprechende Zuordnung zwischen den Koordinaten im Messobjekt-Modell und im Messkopf-Modell. Hier besteht ein weiterer Vorteil des Verfahrens: Durch die Verwendung von Messobjekt-Modell und Messkopf-Modell kann in teilweise oder vollständig automatisierter Weise die Zuordnung gemäß Verfahrensschritt D erfolgen und so die Benutzerfreundlichkeit gesteigert werden. Mehrere Arten des Erstellens der Zuordnung zwischen den Koordinaten wie zuvor beschrieben liegen im Rahmen der Erfindung, wobei die Erfindung nicht auf die nachfolgend genannten vorteilhaften Ausführungsformen beschränkt ist:

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrensschrittes D als Verfahrensschritt D1 ist die erste Struktur identisch zu der zweiten Struktur. Der vorgegebene räumliche Bezug zwischen erster und zweiter Struktur ist in diesem Fall somit die Identität der Strukturen. Hierdurch kann in besonders einfacher Weise eine Transformation der Koordinaten von Messobjekt-Modell zu Messkopf-Modell und umgekehrt erfolgen.

Vorteilhafterweise wird das Messobjekt-Modell und das Messkopf-Modell als ein gemeinsames Modell erstellt. Hierdurch werden in unaufwendiger Weise Strukturen erfasst, welche in beiden Modellen vorhanden sind.

Insbesondere ist es vorteilhaft, in einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Verfahrensschritt D1 das Messkopf-Modell basierend auf ortsaufgelösten Bildern zu erstellen, insbesondere bevorzugt gemäß einem oder mehreren der Verfahrensschritte C1, C3 und/oder C4.

In einer besonders benutzerfreundlichen Ausführungsform hiervon erstellt der Benutzer mittels einer Bildaufnahmeeinheit eine Vielzahl von ortsaufgelösten Bildern des Messobjekts, zumindest von Teilen des Messkopfes und des dazwischenliegenden Bereiches. Hierdurch wird in einfacher Weise ein gemeinsames Modell erstellt, welches somit mindestens eine Struktur, bevorzugt eine Vielzahl von Strukturen, enthält, die sowohl Teil des Messkopf-Modells als auch des Messobjekt-Modells sind. Bei Erstellen des gemeinsamen Modells ergibt sich direkt ein gemeinsames Koordinatensystem für Messobjekt und Messkopf.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des vorgenannten Verfahrensschrittes D1 werden zusätzlich ein oder mehrere optische Marker verwendet. Solche Marker weisen den Vorteil auf, dass sie eine in einfacher Weise verarbeitbare optische Struktur zum Erstellen eines Modells bilden. Beispielsweise können solche Marker an einem ortsfesten Gegenstand und/oder im Zwischenraum zwischen Messkopf und Messobjekt angeordnet sein, sodass eine einfache Benutzerführung möglich ist und der Benutzer lediglich angewiesen werden muss, einerseits ortsaufgelöste Bilder zu erfassen, welche das Messobjekt und den oder die Marker umfassen und andererseits ortsaufgelöste Bilder zu erfassen, welche den Messkopf bzw. das Messkopfelement und den oder die Marker umfassen. Dies ist insbesondere bei einer zeitversetzten Erstellung des gemeinsamen Modells vorteilhaft:

So kann der Benutzer zunächst das Messobjekt einrichten, insbesondere einen oder mehrere Messgegenstände ausrichten und anschließend ortsaufgelöste Bilder des Messobjekts und des oder der Marker aufnehmen. Anschließend kann der Benutzer den Messkopf positionieren und ortsaufgelöste Bilder des Messkopfs bzw. des Messkopfelementes und des oder der Marker aufnehmen. Soll nun eine Korrektur am Messobjekt oder am Messkopf erfolgen, so müssen lediglich diejenigen ortsaufgelöste Bilder neu aufgenommen werden, in deren Modell eine Korrektur erfolgte: Erfolgt beispielsweise ein Umstellen oder anderes Ausrichten des Messkopfes, so müssen lediglich ortsaufgelöste Bilder des Messkopfes bzw. des Messkopfelementes und des oder der Marker aufgenommen werden, jedoch nicht erneut ortsaufgelöste Bilder des Messobjekts.

In einer zu D1 alternativen vorteilhaften Ausgestaltung von Verfahrensschritt D, insbesondere als Verfahrensschritt D2 wie nachfolgend beschrieben, sind erste und zweite Struktur zueinander beabstandet, insbesondere überlappen erste und zweite Struktur vorteilhafterweise nicht.

Dennoch ist auch in dieser vorteilhaften Ausführungsform ein räumlicher Bezug zwischen erster und zweiter Struktur vorgegeben. Der räumliche Bezug kann auf unterschiedliche Weise vorgegeben sein, wie nachfolgend an weiteren Ausführungsbeispielen erläutert. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß D1 ein räumlicher Abstand zwischen Messobjekt und Messkopf überbrückt werden kann, ohne dass der Benutzer ortsaufgelöste Bilder in einem zusammenhängenden Bereich zwischen Messobjekt und Messkopf erfassen muss. Es wird somit ein Bereich zwischen Messobjekt und Messgegenstand durch Vorgabe der räumlichen Beziehung von erster und zweiter Struktur zueinander überbrückt.

Vorteilhafterweise wird in der Ausgestaltung gemäß eines als Verfahrensschritt D2 ausgebildeten Verfahrensschrittes D ein Überbrückungsobjekt verwendet, welches in einem ersten Teilbereich die erste Struktur und in einem zweiten Teilbereich die zweite Struktur aufweist. Weiterhin ist der räumliche Bezug zwischen erster und zweiter Struktur durch das Überbrückungsobjekt vorgegeben. In dieser vorteilhaften Ausführungsform ordnet der Benutzer Messobjekt, Überbrückungsobjekt und Messkopf derart an, dass zum Durchführen des Verfahrensschritts A lediglich ortsaufgelöste Bilder erstellt werden müssen, welche das Messobjekt und die erste Struktur des Überbrückungsobjekts umfassen und zur Ausführung des Verfahrensschrittes C lediglich ortsaufgelöste Bilder erstellt werden müssen, welche den Messkopf bzw. das Messkopfelement und die zweite Struktur des Überbrückungsobjektes umfassen.

Das Überbrückungsobjekt ist bevorzugt als physikalisches, insbesondere bevorzugt als bewegliches Objekt ausgebildet. Insbesondere ist es vorteilhaft, ein längliches Element, insbesondere eine Stange, zu verwenden, wobei bevorzugt in einem Endbereich des länglichen Elementes die erste Struktur und in dem anderen Endbereich des länglichen Elementes die zweite Struktur angeordnet ist. Das Überbrückungsobjekt weist bevorzugt eine ausreichende Stabilität auf, sodass eine bekannte räumliche Beziehung zwischen erster und zweiter Struktur auch bei Bewegen oder anderer üblicher mechanischer Belastung unverändert bleibt. Insbesondere kann das Überbrückungsobjekt als eine Stange, bevorzugt aus Kunststoff oder Metall, ausgebildet sein, welche in Endbereichen wie zuvor genannt die erste und zweite Struktur aufweist.

Alternativ kann das Überbrückungsobjekt durch ortsfeste Gegenstände ausgebildet sein: In einer bevorzugten Ausführungsform ist die räumliche Beziehung zwischen zwei voneinander beabstandeten Strukturen vorgegeben, welche ortsfest sind. So kann in einer vorteilhaften Ausführungsform auf ortsfesten Elementen wie Einrichtungsgegenständen und/oder Wänden, Decke und/oder Boden ein räumlicher Bezug zwischen Strukturen vorgegeben sein. Der Benutzer muss in dieser vorteilhaften Ausführungsform somit lediglich ortsaufgelöste Bilder zur Durchführung des Verfahrensschritts A aufnehmen, welche das Messobjekt und die erste Struktur umfassen und zur Durchführung des Verfahrensschritts C ortsaufgelöste Bilder aufnehmen, welche den Messkopf bzw. das Messkopfelement und die zweite Struktur umfassen. In besonders einfacher Ausgestaltung können erste und zweite Struktur durch optische Marker ausgebildet werden, welche ortsfest angebracht sind, insbesondere wie zuvor beschrieben an Einrichtungsgegenständen, Wänden, Boden und/oder Decke. Hierdurch kann in benutzerfreundlicher Weise einmalig der räumliche Bezug zwischen den optischen Markern vermessen werden und hierdurch der räumliche Bezug zwischen den durch die Marker gebildeten ersten und zweiten Struktur für alle Messungen in dieser Umgebung vorgegeben werden.

Die Zuordnung in Verfahrensschritt D kann ebenfalls in einer vorteilhaften Ausgestaltung als Verfahrensschritt D3 mittels Bestimmen der Auftreffpunkte mehrerer Strahlen auf der Messoberfläche und Kenntnis des relativen Verlaufs dieser Strahlen zueinander erfolgen:

Sind die Koordinaten der Auftreffpunkte mehrerer Strahlen auf der Messoberfläche bekannt und ist darüber hinaus für jeden Strahl der Strahlverlauf im Messkopf-Koordinatensystem bekannt, so kann basierend auf diesen Informationen Verfahrensschritt D ebenfalls ausgeführt werden, insbesondere gemäß der nachfolgend beschriebenen vorteilhaften Ausführungsform.

Solche Strahlen können beispielsweise die Messstrahlen mehrerer Messköpfe darstellen, die jeweils im festen räumlichen Bezug zu Strukturen im Messkopfmodell wie z. B. den Lichtaustrittsöffnungen und den Gehäusen o. ä. stehen (über die z. B. ein Punkt auf dem Strahl sowie die Strahlrichtung definiert ist, d. h auf jeden Fall der Strahlverlauf definiert ist). Hierbei definieren die Auftreffpunkte der Messstrahlen auf dem Messobjekt die erste Struktur und die beispielhaft beschriebenen Strukturen, insbesondere ein oder mehrere Messkopfelemente wie zuvor beschrieben im Messkopfmodell die zweite Struktur.

Ebenso können wie zuvor beschrieben die Strahlen selbst die zweite Struktur darstellen: Wie bereits ausgeführt, kann auch durch Vorgabe der räumlichen Anordnung der Strahlen relativ zu dem Messstrahl ein Messkopf-Modell vorgegeben werden.

Die Zuordnung der Strukturen im Messobjekt-Modell zu den Strukturen im Messkopf-Modell erfolgt über die den Strukturen im Messkopf-Modell zugeordneten Strahlverläufe, wobei die Strukturen im Messobjekt-Modell im Messobjekt-Koordinatensystem und die Strukturen im Messkopf-Modell und die zugehörigen Strahlverläufe im Messkopf-Koordinatensystem angegeben werden und die in Verfahrensschritt D durchgeführte Zuordnung über eine Koordinatentransformation zwischen dem Messkopf-Koordinatensystem und dem Messobjekt-Koordinatensystem erfolgt. Diese 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 Messkopf-Koordinatensystems umrechnen und umgekehrt. Es ist hier nun die verbleibende Aufgabe des Verfahrensschritts D, die beschriebenen Transformationsparameter 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 hierzu die Strahlauftreffpunkte auf dem Messobjekt herangezogen, die gemäß Verfahrensschritt Eiii bestimmt werden, bevorzugt mit Hilfe einer der dort beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen. Daher sind deren Koordinaten im Messobjekt-Koordinatensystem bereits vollständig bekannt.

Außerdem liegen die Messstrahlverläufe im Messkopf-Koordinatensystem vor. Es wird also diejenige Transformation des Messkopf-Koordinatensystems in das Messobjekt-Koordinatensystem gesucht, durch die die Messstrahlverläufe im Messkopf-Koordinatensystem so in das Messobjekt-Koordinatensystem transformiert werden, dass die im Messobjekt-Koordinatensystem gemessenen Auftreffpunkte auf den ins Messobjekt-Koordinatensystem transformierten Messstrahlverläufen 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 Auftreffpunkte ausreichen. Praktisch wird man darauf bedacht sein, mehr als die Mindestanzahl an Auftreffpunkten zur Bestimmung der gesuchten Parameter heranzuziehen, da sich die Genauigkeit bei der Bestimmung mit jedem hinzukommenden Auftreffpunkt 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 hier zur Durchführung von Verfahrensschritt D 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 Messkopf-Koordinatensystem vorliegenden Messstrahlverläufe ins Messobjekt-Koordinatensystem und bestimmt dort deren Distanzen zu den in diesem Koordinatensystem gemessenen Auftreffpunkten. 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 denkbar, die die beschriebene Koordinatentransformation bzw. die zugehörigen Parameter bestimmen. In jedem Fall erhält aber durch die ermittelte Koordinatentransformation die in Verfahrensschritt D benötigte Zuordnung zwischen den Koordinaten im Messobjekt-Modell und den Koordinaten im Messkopf-Modell mit Hilfe der gegebenen Strukturen im ersten und zweiten Modell ihren räumlichen Bezug zueinander.

Für die hier beschriebene Vorgehensweise sind nicht notwendigerweise mehrere Messköpfe oder mehrere Messstrahlen notwendig. Stattdessen können neben den Auftreffpunkten von einem oder mehreren Messstrahlen auch zusätzlich die Auftreffpunkte von einem oder mehreren Hilfsstrahlen als erste Struktur im Messobjekt-Modell herangezogen werden. Solange die Strahlverläufe der Hilfsstrahlen in räumlichem Bezug zu räumlichen Strukturen im Messkopf-Modell, insbesondere zu dem oder den Messstrahlen selbst, stehen - wie es weiter oben für die mehreren Messstrahlen beschrieben wurde -, können auch diese Hilfsstrahlen anstelle der zuvor beschriebenen Messstrahlen verwendet werden, und die genannten räumlichen Strukturen im Messkopf-Modell oder die Hilfsstrahlen selbst können als zweite Struktur im Messkopf-Modell verwendet werden, da über die jeweiligen Strahlverläufe ein räumlicher Bezug zwischen der ersten Struktur im Messobjekt-Modell und der zweiten Struktur im Messkopf-Modell hergestellt wird.

Grundsätzlich liegt es wie beschrieben im Rahmen der Erfindung, bei Verwendung von Auftreffpunkten auf der Messoberfläche Auftreffpunkte von einem oder mehreren Messstrahlen und/oder Auftreffpunkte von einem oder mehreren Hilfsstrahlen zu verwenden:

So liegt es im Rahmen der Erfindung, einen Hilfsstrahl einer Hilfsstrahlquelle zu verwenden, dessen Strahlengang zumindest im Bereich des Messobjekts koaxial zu dem Messstrahl ist, sodass der Hilfsstrahl auf denselben Ortspunkt auf der Messoberfläche auftrifft wie der Messstrahl. Zwar wird bei einer Vielzahl von interferometrischen Messungen ein Laserstrahl als Messstrahl mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich verwendet, welcher in unaufwendiger Weise mit typischen Bildaufnahmeeinheiten erfasst werden kann. Ebenso liegt es jedoch im Rahmen der Erfindung, einen mittels einer zusätzlichen Hilfsstrahlquelle erzeugten Hilfsstrahl zur Bestimmung des Strahlverlaufs zu verwenden:

Für manche Anwendungen von interferometrischen Messungen ist es wünschenswert, einen mittels üblicher Bildaufnahmeeinheiten nicht oder nur mit unzureichender Genauigkeit erfassbaren Messstrahl 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 nur eine unzureichende optische Kontrolle über den jeweils beaufschlagten Messpunkt besitzt und ein automatisiertes Auffinden eines Auftreffpunktes nur mit zusätzlichem technischem Aufwand möglich ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird daher ein zusätzlicher Hilfsstrahl einer Hilfsstrahlquelle verwendet. Dieser wird derart in den Strahlengang des Messstrahls eingekoppelt, dass der Hilfsstrahl auf den gleichen Ortspunkt des Messobjekts auftrifft wie der Messstrahl.

Ebenso liegt es wie beschrieben im Rahmen der Erfindung, einen oder mehrere Hilfsstrahlen zu verwenden, deren Strahlverlauf in einem vorgegebenen räumlichen Bezug zu dem Messstrahl besteht und deren Strahlverlauf zumindest im Bereich des Messobjekts nicht identisch zu dem Strahlverlauf des Messstrahls ist. Aufgrund des räumlichen Bezugs zwischen den Hilfsstrahlen und dem Messstrahl, der gemäß Verfahrensschritt C in räumlichem Bezug zu dem zumindest einen Messkopfelement steht, besteht dann natürlich auch ein räumlicher Bezug zwischen den Hilfsstrahlen und dem zumindest einen Messkopfelement. Dann lässt sich die gleiche Vorgehensweise wie zuvor verwenden, wobei nun einer, mehrere oder alle im vorigen beschriebenen Messstrahlen durch Hilfsstrahlen ersetzt werden. Auch in diesem Fall wird in Verfahrensschritt D nun eine Zuordnung zwischen Koordinaten im Messobjekt-Modell und Koordinaten im Messkopf-Modell erstellt mit Hilfe einer ersten Struktur im Messobjekt-Modell, nämlich den Auftreffpunkten von Hilfs- und/oder Messstrahlen, und einer zweiten Struktur im Messkopf-Modell, nämlich hier den Messkopfelementen, die selbst in räumlichem Bezug zu den Hilfs- und/oder Messstrahlen stehen. Ebenso können wie zuvor beschrieben die Hilfsstrahlen selbst als erste Struktur herangezogen werden und somit die verwendete zweite Struktur im Messkopf-Modell darstellen.

Um eine Zuordnung gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung D3 des Verfahrensschritts D durchzuführen, werden bevorzugt zumindest drei, noch bevorzugter zumindest vier Strahlen verwendet, die auf drei bzw. vier oder mehr ortsverschiedenen Auftreffpunkten auf dem Messobjekt auftreffen. Weiterhin ist für diese drei, vier oder mehr Strahlen im Messkopf-Modell die Strahlrichtung und die Strahlposition, das heißt mindestens ein Ort auf jedem der Strahlen im Messkopf-Modell sowie mindestens ein Richtungsvektor oder mindestens zwei Orte auf jedem der zwei Strahlen vorgegeben. In dieser vorteilhaften Ausführungsform wird durch Bestimmung der Ortskoordinaten der zumindest drei Auftreffpunkte der Strahlen im Messobjekt-Modell (erste Struktur) und die vorgegebenen Richtungen und Positionen der Strahlen im Messkopf-Modell (zweite Struktur) die Zuordnung gemäß Verfahrensschritt D durchgeführt. Hierbei ist es vorteilhaft, dass die Strahlen nicht parallel zueinander verlaufen.

Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, ausschließlich Hilfsstrahlen zu verwenden. Genauso können mehrere Hilfsstrahlen mit einem einzigen Messstrahl aus einem einzigen Messkopf kombiniert werden. Ebenso können mehrere Messköpfe mit mehreren Messstrahlen in wie zuvor beschrieben vorgegebener Anordnung zueinander verwendet werden und somit ausschließlich Messstrahlauftreffpunkte verwendet werden. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, eine Kombination der Auftreffpunkte von Mess- und Hilfsstrahlen zu verwenden.

In Verfahrensschritt E erfolgt ein Bestimmen des Messstrahlverlaufs mittels Durchführen von mindestens zwei der zuvor genannten Schritte Ei, Eii und Eiii.

Vorteilhafterweise wird der Messstrahlverlauf im Messobjekt-Modell, somit in einem Koordinatensystem des Messobjekt-Modells bestimmt. Bevorzugt erfolgt in Verfahrensschritt E daher ein Bestimmen des Messstrahlverlaufs in einem Koordinatensystem des Messobjekt-Modells. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, in Verfahrensschritt E zunächst den Messstrahlverlauf im Messkopf-Modell zu bestimmen. In diesem Fall ist somit zusätzlich die Anwendung der in Verfahrensschritt D erstellten Zuordnung (insbesondere Koordinatentransformation) zwischen Messkopf-Modell und Messobjekt-Modell notwendig. Es liegt somit auch im Rahmen der Erfindung, Verfahrensschritt D nach Verfahrensschritt E auszuführen.

Gemäß Verfahrensschritt Ei werden die Koordinaten mindestens eines Ortes bestimmt, der auf der vom Messstrahl definierten optischen Achse liegt oder in einem vorgegebenen räumlichen Bezug hierzu. Die Bestimmung erfolgt anhand des Messkopf-Modells.

Wie vorangehend beschrieben, kann das Messkopf-Modell die Bestimmung der Koordinaten solch eines Ortes im Messkopf-Modell ermöglichen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das Messkopf-Modell eine Messstrahlaustrittsöffnung umfasst oder eine in räumlicher Beziehung zu der Messstrahlaustrittsöffnung stehende Struktur und die räumliche Beziehung vorgegeben ist. Bei Kenntnis der Position des Austritts des Messstrahls aus dem Messkopf ist somit auch ein Ortspunkt auf dem Messstrahl im Messkopf-Modell bekannt. Alternativ oder zusätzlich können die Koordinaten eines Ortes im Messkopf-Modell angegeben werden, der in einem vorgegebenen räumlichen Bezug zu der optischen Achse des Messstrahls liegt. Ist beispielsweise der Messkopf drehbar um einen Drehpunkt gelagert, so liegt dieser Drehpunkt typischerweise in einem festen Abstand zu dem nächstliegenden Punkt auf der optischen Achse des Messstrahls. Auch die Koordinaten des Drehpunktes sind somit für Verfahrensschritt Ei geeignet, unabhängig von der tatsächlichen Drehposition des Messkopfes relativ zu dem Drehpunkt. Weitere Beispiele für einen solchen zugeordneten Bezug wurden in der vorangehenden Tabelle aufgeführt.

Diese Ausgestaltungen des Verfahrensschrittes Ei werden in der vorteilhaften Ausgestaltung Ei1 zusammengefasst.

Ebenso kann wie zuvor beschrieben ein vorgegebenes Modell verwendet werden, wobei in dem vorgegebenen Modell zumindest ein Ort auf der vom Messstrahl definierten optischen Achse oder in einem vorgegebenen räumlichen Bezug hierzu enthalten ist und als solcher gekennzeichnet ist. Wie zuvor beschrieben kann das vorgegebene Modell auf verschiedene Weise in Verfahrensschritt D dem Messobjekt-Modell zugeordnet werden, sodass auch in diesem Fall die Koordinaten des vorgenannten Ortes im Messobjekt-Modell bestimmbar sind.

Diese vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrensschrittes Ei wird in Verfahrensschritt Ei2 zusammengefasst.

Wesentlich ist, dass mittels der Zuordnung gemäß Verfahrensschritt D die Ortskoordinaten im Messkopf-Modell in Ortskoordinaten des Messobjekt-Modells transformiert werden können.

Gemäß Verfahrensschritt Eii erfolgt die Bestimmung des durch die Messstrahlausbreitungsrichtung vorgegebenen Richtungsvektors anhand des Messkopf-Modells. In diesem Verfahrensschritt ist somit nicht zwingend ein Ort auf der optischen Achse des Messstrahls oder in vorgegebenen räumlichen Bezug hierzu bekannt. Es wird hingegen der Richtungsvektor der Messstrahlausbreitungsrichtung bestimmt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung Eii1 des Verfahrensschritts Eii wird hierzu wie zuvor beschrieben ein Messkopf-Modell basierend auf mehreren ortsaufgelösten Bildern verwendet. Ist beispielsweise bekannt, dass der Messkopf eine längliche Ausdehnung besitzt, so kann mittels an sich bekannter Algorithmen die Richtung des Messkopfes im Messkopf-Modell bestimmt werden, insbesondere durch Abgleichalgorithmen, wie sie vorangehend in Zusammenhang mit dem Verfahrensschritt C beschrieben wurden. Insbesondere ist es vorteilhaft, mittels an sich bekannter Algorithmen eine Einhüllende für bestimmte Elemente im Messkopf-Modell zu ermitteln, insbesondere eine Einhüllende, welche wie zuvor beschrieben schematisch der geometrischen Struktur des Messkopfes entspricht. Weist der Messkopf beispielsweise eine im Wesentlichen zylindrische Form auf, so wird bevorzugt im Messkopf-Modell ein Zylinder mit dem Messkopf im Messkopf-Modell abgeglichen. Insofern stellt der Zylinder in diesem beispielhaften Fall ein sehr einfaches Abgleichmodell des Messkopfes dar. Die Zylinderachse gibt dann den Richtungsvektor - aber nicht zwingend die räumliche Position - des Messstrahls wieder, sofern der Messstrahl parallel zur Zylinderachse des im Wesentlichen zylindrischen Gehäuses des Messkopfs ausgerichtet ist. Entsprechend können Näherungsalgorithmen für andere Formen von Messköpfen vorgegeben werden.

Alternativ oder zusätzlich kann die Orientierung einer Fläche des Messkopfes zur Bestimmung der Messstrahlausbreitungsrichtung verwendet werden, sofern der räumliche Bezug der Fläche, insbesondere einer Flächennormale dieser Fläche und der Messstrahlausbreitungsrichtung bekannt ist. Weist beispielsweise der Messkopf eine ebene Fläche auf, in welcher sich die Austrittsöffnung befindet, so kann durch an sich bekannte Algorithmen zum Strukturauffinden diese Fläche anhand vorgegebener Merkmale im Messkopf-Modell aufgefunden und deren Orientierung im Messkopf-Modell ermittelt werden. In dieser vorteilhaften Ausführungsform ist weiterhin die Orientierung des Messstrahls relativ zu der korrespondierenden Fläche des Messkopfes vorgegeben. Typischerweise tritt der Messstrahl senkrecht zu einer die Austrittsöffnung umgebenden Fläche aus. Die Kenntnis der Orientierung der zuvor beschriebenen Fläche und der Orientierung des Messstrahls zu dieser Fläche ermöglicht somit ebenfalls in der beschriebenen vorteilhaften Ausführungsform die Bestimmung des Richtungsvektors des Messstrahls.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ein vorgegebenes Messkopf-Modell, beispielsweise ein CAD-Modell oder FE-Modell als Abgleichmodell verwendet, um durch an sich bekannte Algorithmen die Orientierung des Abgleichmodells mit dem Messkopf-Modell abzugleichen. Weiterhin ist die Orientierung des Messstrahls im Abgleichmodell vorgegeben, sodass im Ergebnis auch die Orientierung des Messstrahls im Messkopf-Modell bestimmt wird.

Auch hier wird durch die in Verfahrensschritt B erfolgte Zuordnung der durch die Messstrahlausbreitungsrichtung vorgegebene Richtungsvektor im Messobjekt-Modell bestimmt.

Die zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen werden im Verfahrensschritt Eii1 zusammengefasst. Wesentlich ist, dass in Kombination mit Verfahrensschritt D der durch die Messstrahlausbreitungsrichtung vorgegebene Richtungsvektor des Messstrahls im Messobjekt-Modell bestimmt wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden wie zuvor beschrieben mehrere Messköpfe mit mehreren Messstrahlen verwendet. In dieser, als Verfahrensschritt Eii2 bezeichneten, bevorzugten Ausführungsform wird in Verfahrensschritt Eii für jeden Messkopf die Messstrahlausbreitungsrichtung des Messstrahls anhand des Messkopf-Modells bestimmt und mittels Verfahrensschritt D jeweils in eine Messstrahlausbreitungsrichtung im Messobjekt-Modell transformiert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform als Verfahrensschritt Eii3 wird im Verfahrensschritt Eii die Messstrahlausbreitungsrichtung abhängig von Messdaten mindestens eines Richtungsdetektors bestimmt. Wie zuvor beschrieben, ist der Messkopf in einer bevorzugten Ausführungsform an einer Haltevorrichtung angeordnet, wobei die Position des Messkopfs relativ zu der Haltevorrichtung veränderbar ist. Mittels des Positionsdetektors kann die Position des Messkopfs relativ zur Haltevorrichtung und/oder eine Positionsänderung relativ zur Haltevorrichtung detektiert werden. Das Messkopf-Modell umfasst in diesem Fall zumindest eine Struktur, welche die Position und Orientierung der Haltevorrichtung im Messkopf-Modell definiert. Mittels der Messdaten des Positionsdetektors und einer vorgegebenen Zuordnung von Messdaten zu einer räumlichen Positionierung und/oder Positionsänderung des Messkopfes zu der Haltevorrichtung wird die Messstrahlausbreitungsrichtung des Messstrahls des Messkopfes relativ zu der vorgenannten Struktur der Haltevorrichtung bestimmt. Wie zuvor beschrieben wird basierend auf Verfahrensschritt D die Messstrahlausbreitungsrichtung dann aus dem Messkopf-Modell in eine Messstrahlausbreitungsrichtung im Messobjekt-Modell transformiert.

In Verfahrensschritt Eiii erfolgt die Bestimmung der Koordinaten des Messstrahlauftreffpunkts des Messstrahls und/oder zumindest eines Hilfsstrahlauftreffpunktes eines mit dem Messstrahl in vorgegebener räumlicher Beziehung stehenden Hilfsstrahls auf dem Messobjekt anhand zumindest eines ortsaufgelösten Bildes, welches den Messstrahlauftreffpunkt und/oder den zumindest einen Hilfsstrahlauftreffpunkt auf dem Messobjekt umfasst.

Das zuvor genannte zumindest eine ortsaufgelöste Bild kann in Verfahrensschritt A erfasst werden, wenn der Messstrahl während der Aufnahme der zugehörigen ortsaufgelösten Messobjekt-Bilder angeschaltet ist. Dies erlaubt es, im Zuge von Verfahrensschritt B, dem Messstrahlauftreffpunkt direkt Koordinaten im dreidimensionalen Messobjekt-Modell zuzuweisen.

Alternativ liegt es ebenso im Rahmen der Erfindung, das ortsaufgelöste Bild separat zu erfassen, insbesondere bevorzugt mittels einer separaten Bildaufnahmeeinheit.

Die Bestimmung von Koordinaten eines Strahlauftreffpunktes anhand zumindest eines ortsaufgelösten Bildes, welches diesen Auftreffpunkt umfasst, erfolgt bevorzugt wie nachfolgend beschrieben:

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.

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 ortsaufgelösten Bildes Ortskoordinaten zugeordnet werden, insbesondere jedem Bildpixel, welches die Messoberfläche zeigt, Ortskoordinaten auf der Messoberfläche im dreidimensionalen Modell zugeordnet werden.

Für die Identifikation/Lokalisierung des Strahlauftreffpunktes 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 Strahlauftreffpunkt mittels der Kamera erfasst wird und insbesondere eine Überbelichtung des Kamerabilds durch den Messstrahl vermieden wird. Die Bildpunkt-Koordinaten des Strahlauftreffpunkts werden bevorzugt durch eine geeignete Mittelung von Bildpunkt-Koordinaten mit Helligkeiten oberhalb eines Schwellwerts bestimmt.

Dieses Verfahren wird auch verwendet, um wie zuvor beschrieben insbesondere in Verfahrensschritt D bei Verwenden mehrerer Strahlauftreffpunkte von Mess- und/oder Hilfsstrahlen die Ortskoordinaten der Auftreffpunkte im Messobjekt-Modell zu ermitteln. Hierbei kann es vorteilhaft sein, sequenziell jeweils lediglich einen Punkt zu bestrahlen, um eine eindeutige Zuordnung zwischen Auftreffpunkt und zugehörigem Strahl bzw. zugehöriger Strahlquelle zu erzielen. Ebenso liegen andere Zuordnungsverfahren im Rahmen der Erfindung, wie beispielsweise eine Modulation der Strahlen, eine Unterscheidung der Strahlen in Farbe, Größe und/oder Form des Auftreffpunktes oder andere mittels einer Bildaufnahmeeinheit bestimmbare Unterscheidungsmerkmale.

Mittels des Verfahrens wird bevorzugt eine interferometrische Messung an dem Messobjekt, insbesondere eine Messung zur Ermittlung von Schwingungsdaten durchgeführt, und ganz besonders bevorzugt wird die interferometrische Messung unter Berücksichtigung des Messstrahlverlaufs ausgewertet.

Wie zuvor beschrieben ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung bevorzugt als Vibrometer zur Durchführung einer Schwingungsmessung mittels des Messstrahls ausgebildet.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Messvorrichtung somit als interferometrische Messvorrichtung ausgebildet. Insbesondere wird der für die interferometrische Messung benutzte Messstrahl in mindestens einen Messstrahl und mindestens einen Referenzstrahl aufgespaltet, bevorzugt mittels eines Strahlteilers.

Der jeweilige Messstrahl wird auf einen Messpunkt auf dem Messobjekt gerichtet, und der von dem Messobjekt reflektierte und/oder gestreute Messstrahl durchläuft den Strahlengang der Messvorrichtung 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. Hierzu wird bevorzugt die zuvor genannte Auswerteeinheit verwendet. Die Messvorrichtung kann im Grundaufbau in an sich bekannter Weise eines Interferometers, insbesondere eines Vibrometers wie zuvor beschrieben, bevorzugt eines heterodynen Vibrometers, ausgebildet sein. Vibrometer sind aus dem Stand der Technik bekannt, insbesondere aus https://de.wikipedia.org/wiki/Vibrometer und DE 10 2007 010 389.

In den zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen, in welchen ein oder mehrere Hilfsstrahlen verwendet werden, ist es vorteilhaft, mittels einer oder mehrerer Laserquellen erzeugte Laserstrahlen als Hilfsstrahlen zu verwenden.

Ebenso liegt die Verwendung anderer Strahlquellen zum Erzeugen von Hilfsstrahlen im Rahmen der Erfindung, insbesondere auch Lichtstrahlen aus LEDs oder anderen Lichtquellen, die beispielsweise als Positionslaser, Linienlaser, Fadenkreuzlaser, Linienprojektoren, Fadenkreuzprojektoren oder andere Mustergeneratoren mit Abbildungseinheit etc. ausgeprägt sind.

Der Messkopf der Vorrichtung stellt ein Element der Messvorrichtung dar, an welchem der Messstrahl austritt. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die gesamte Messvorrichtung in dem Messkopf integriert ist, insbesondere weist der Messkopf in einer bevorzugten Ausführungsform die Strahlungsquelle für den Ursprungsstrahl, insbesondere einen Laser, optische Mittel zum Ausbilden eines Interferometers, bevorzugt mit einem Mess- und einem Referenzstrahl, insbesondere eines Mach-Zehnder-Interferometers und den zumindest einen Detektor sowie die Auswerteeinheit auf. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass der Messkopf lediglich eine Untermenge der Elemente der Messvorrichtung aufweist, insbesondere kann die Auswerteeinheit außerhalb des Messkopfs angeordnet sein. Ebenso kann die Strahlquelle außerhalb des Messkopfs angeordnet sein. In diesem Fall weist die Messvorrichtung bevorzugt zumindest einen Lichtleiter auf, um den Ursprungsstrahl von der Strahlungsquelle zu dem Messkopf zu führen. Ebenso kann das Interferometer außerhalb des Messkopfs angeordnet sein. Das Interferometer ist in diesem Fall bevorzugt mittels zumindest eines Lichtleiters mit dem Messkopf verbunden, um den Messstrahl zu dem Messkopf zu leiten und den am Messobjekt reflektierten und/oder gestreuten Messstrahl, welcher wieder in den Messkopf eintritt, zu dem Interferometer zu leiten.

Die Auswerteeinheit weist bevorzugt elektronische Komponenten zur Datenverarbeitung auf, insbesondere einen Prozessor und einen Datenspeicher. Die Auswerteeinheit ist bevorzugt als Rechnereinheit ausgebildet. Die Rechnereinheit kann als an sich bekannte Komponente zur Signalauswertung ausgebildet sein und insbesondere auch einen FPGA-Decoder umfassen. Ebenso kann die Rechnereinheit eine oder mehrere Datenverarbeitungselemente, insbesondere elektronische Komponenten aufweisen, wie beispielsweise einen oder mehrere Computer, Decoder, Speicherkomponenten oder weitere Komponenten.

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

  • 1 ein Ausführungsbeispiel eines Messkopfs und des zugehörigen Abgleichmodells
  • 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit einem Messkopf und zwei Bildaufnahmeeinheiten;
  • 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit vier verschiebbaren Messköpfen;
  • 4 das zweite Ausführungsbeispiel zur Verdeutlichung der Verwendung eines Überbrückungsobjekts;
  • 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit optischen Markern;
  • 6 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit vier schwenkbaren Messköpfen;
  • 7 Ausführungsbeispiele für Bildaufnahmeeinheiten und
  • 8 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
  • 9 Ansichten des Messobjekts und eines ortsaufgelösten Bildes zur Erläuterung der Bestimmung der 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.

In 1 ist ein Messkopf für eine erfindungsgemäße Messvorrichtung dargestellt. Der Messkopf ist als Messkopf eines Vibrometer ausgebildet. Das Vibrometer umfasst ein Gehäuse mit einem in etwa quaderförmigen hinteren und einem in etwa zylindrischen vorderen Bereich.

Innerhalb des Gehäuses sind vorliegend die Komponenten des Vibrometers angeordnet: Das Vibrometer umfasst eine als Laser ausgebildete Strahlquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls als Messstrahl. An einer Laserstrahlaustrittsöffnung 4 tritt der Messstrahl an einem Laseraustrittspunkt 5 aus dem Messkopf 1 aus. Der Messstrahl 6 weist somit die gestrichelt dargestellte Messstrahlausbreitungsrichtung 7 auf.

Die Messstrahlausbreitungsrichtung 7 liegt auf der optischen Achse des in etwa zylindrischen vorderen Teils 3 des Messkopfes.

Der Messstrahl 6 trifft auf einen Messpunkt der Messoberfläche eines Messgegenstandes des Messobjekts. Der teilweise reflektierte und/oder gestreute Messstrahl tritt über die Laserstrahlaustrittsöffnung 4 wieder in den Messkopf 1 ein. Der als Vibrometer ausgebildete Messkopf 1 ist somit als interferometrische Messvorrichtung ausgebildet und weist vorliegend einen interferometrischen Aufbau derart auf, dass der mittels des Lasers erzeugte Laserstrahl aufgeteilt wird in den vorbenannten Messstrahl und einen Referenzstrahl. Die Messvorrichtung umfasst weiterhin mindestens einen Detektor und ist derart ausgebildet, dass der vorgenannte reflektierte und/oder gestreute Messstrahl mit dem Referenzstrahl auf den Detektor zum Ausbilden einer optischen Interferenz überlagert wird. Beim Detektor handelt es sich bevorzugt um einen balancierten Detektor, der aus zwei entsprechend in Differenz geschalteten Einzeldetektoren für die beiden Interferometerausgänge besteht, Die Messsignale des Detektors werden über eine am hinteren Ende des zylindrischen Teils 2 des Messkopfes über eine Signalleitung zu einer Auswerteeinheit geführt. Die (nicht dargestellte) Auswerteeinheit umfasst eine Rechnereinheit, die in an sich bekannter Weise umfassend einen Prozessor und eine Speichereinheit ausgebildet ist, um aus den Messdaten des Detektors Schwingungsdaten zu bestimmen. Die Rechnereinheit weist hierzu vorliegend zusätzlich einen FPGA-Decoder auf.

Wie zuvor beschrieben, wird bei dem Verfahren in Verfahrensschritt C ein Messkopf-Modell bereitgestellt, das zumindest ein Messkopfelement umfasst, welches in einem vorgegebenen Bezug zu dem Messstrahl steht. Wie eingangs erwähnt, ist die Messvorrichtung bevorzugt zur Durchführung des nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiels eines Verfahrens und/oder der weiterhin beschriebenen Ausführungsbeispiele eines Verfahrens ausgebildet.

In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens umfasst das Messkopf-Modell die Laserstrahlaustrittsöffnung 4, welche als Kreisring ausgebildet ist. Weiterhin ist die Information vorgegeben, dass der Laseraustrittspunkt 5 mittig in der Laserstrahlaustrittsöffnung 4 liegt. In diesem Ausführungsbeispiel können somit im Messkopf-Modell durch Bestimmen des Mittelpunktes der Laserstrahlaustrittsöffnung 4 die Koordinaten eines Ortes, der auf der vom Messstrahl definierten optischen Achse im Messkopf-Modell liegt, bestimmt werden (Verfahrensschritt Ei).

In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist vorgegeben, dass die Messstrahlausbreitungsrichtung 7 des Messstrahls 6 senkrecht zu der eben ausgebildeten Laserstrahlaustrittsöffnung 4 liegt. In diesem Ausführungsbeispiel kann somit in einem Verfahrensschritt Eii die Messstrahlausbreitungsrichtung im Messkopf-Modell bestimmt werden.

In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel ist das in 1 dargestellte Linienmodell des Messkopfs 1 als Abgleichmodell 1' vorgegeben wie in 1 durch die gestrichelten Objekte gezeigt: Als abstraktes Abgleichmodell 1' werden geometrische Daten eines Quaders sowie eines Zylinders und die Größe sowie räumliche Beziehung von Quader und Zylinder zueinander zur Verfügung gestellt. Weiterhin ist der Ort des Laseraustrittspunktes 5 im Abgleichmodell vorgegeben. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist alternativ oder zusätzlich die Messstrahlausbreitungsrichtung 7 im Abgleichmodell 1' vorgegeben.

In diesem Ausführungsbeispiel wird in Verfahrensschritt C mittels einer Bildaufnahmeeinheit eine Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern des Messkopfes aufgenommen und wie zuvor beschrieben in einem Musterprojektionsverfahren mittels Photogrammetrie ein dreidimensionales Modell des Messkopfes erstellt, gemäß des vorgehend beschriebenen Verfahrensschritts C1 und den Verfahrensschritten Ci und Cii. Weiterhin wird das Abgleichmodell verwendet, um im Messkopf-Modell den Ort des Laseraustrittpunktes 5 zu bestimmen. Es erfolgt somit ein Durchführen der zuvor beschriebenen Verfahrensschritte C1 und C3. Der Abgleich zwischen dem vorgegebenen Messkopf-Modell und dem basierend auf der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern aus unterschiedlichen Perspektiven erstellten Messkopf-Modell wird wie vorangehend zu Verfahrensschritt C3 als bevorzugte Ausführungsform beschrieben mittels der beiden dort beschriebenen sequenziellen Schritte ausgeführt.

In einer Abwandlung des vorgenannten Ausführungsbeispiels wird als zusätzliche Information zu dem Abgleichmodell 1' die Information vorgegeben, dass die Messstrahlausbreitungsrichtung entlang der Zylinderachse des vorgegebenen Zylinders verläuft. In dieser Abwandlung des Ausführungsbeispiels wird in Verfahrensschritt C somit ebenfalls wie zuvor beschrieben mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern aus unterschiedlichen Perspektiven ein Modell des Messkopfes erstellt. Weiterhin erfolgt ein Abgleich mit dem abstrakten Modell, welches den vorgenannten Quader und den Zylinder umfasst. Es erfolgt somit ebenfalls ein Durchführen der Verfahrensschritte C1 und C3 und eines Abgleichs wie zuvor beschrieben, wobei vorliegend hierdurch die Messstrahlausbreitungsrichtung im Messkopf-Modell bestimmt wird.

Nach durchgeführtem Abgleich ist im Koordinatensystem des Messkopf-Modells die Messstrahlausbreitungsrichtung 7 bekannt, welche entlang der Zylinderachse des abstrakten Abgleichmodells verläuft.

Zum vollständigen Durchführen der vorangehend beschriebenen Verfahrensschritte Ei und Eii ist eine Zuordnung der Koordinaten des Messkopf-Modells zu Koordinaten eines Messobjekt-Modells notwendig, sodass die genannten Daten auch im Koordinatensystem des Messkopf-Modells vorliegen. Dies wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen des Verfahrens und der erfindungsgemäßen Messvorrichtung näher beschrieben.

In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung schematisch dargestellt. Die Messvorrichtung umfasst einen Messkopf 1, der gemäß der Beschreibung zu 1 ausgebildet ist. Die Messvorrichtung wird verwendet, um eine Schwingungsmessung an einem Messobjekt 8 durchzuführen. Das Messobjekt 8 weist einen schematisch als Quader dargestellten Messgegenstand 8a auf.

Der Messkopf 1 weist wie zuvor beschrieben einen Laser als Strahlquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls als Ursprungsstrahl, einen Strahlteiler zum Aufteilen des Ursprungsstrahls in einen Messstrahl 6 sowie einen Referenzstrahl auf sowie einen Detektor zum Detektieren eines interferometrischen Messsignals abhängig von dem am Messobjekt 8 reflektierten und/oder gestreuten Messstrahls 6, welcher mit dem Referenzstrahl auf einer Detektionsfläche des Detektors überlagert wird. Der Messkopf 1 ist mit einer Auswerteeinheit 9 verbunden, um die Messsignale eines im Messkopf 1 angeordneten Detektors der Messvorrichtung zur Bestimmung von Schwingungsdaten des Messgegenstandes 8a am Ort des Auftreffpunktes des Messstrahls 6 zu bestimmen.

Die Auswerteeinheit 9 umfasst wie zu 1 beschrieben eine Rechnereinheit mit Prozessor und Speichereinheit und ist ausgebildet, den Strahlverlauf des Messstrahls 6 zu bestimmen, wie nachfolgend an einem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens beschrieben.

Die Messvorrichtung weist weiterhin eine erste Bildaufnahmeeinheit 10 und eine zweite Bildaufnahmeeinheit 11 auf. Beide Bildaufnahmeeinheiten sind als CCD-Kameras zur Aufnahme ortsaufgelöster Bilder ausgebildet. Die erste Bildaufnahmeeinheit 10 ist relativ zum Messobjekt 8 und Messkopf 1 beweglich. Die zweite Bildaufnahmeeinheit 11 ist ortsfest am Messkopf 1 angeordnet.

In einem ersten Ausführungsbeispiel eines Verfahrens erfolgt in einem Verfahrensschritt A ein Aufnehmen einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern des Messgegenstandes 8a mittels der ersten Bildaufnahmeeinheit 10. Hierzu bewegt ein Benutzer die bewegliche erste Bildaufnahmeeinheit 10 um den Messgegenstand 8a, während automatisch eine Vielzahl von ortsaufgelösten Bildern aufgenommen wird.

Die erste Bildaufnahmeeinheit 10 ist zur Durchführung einer Streifenprojektion ausgebildet und weist daher eine Kamera zum Erfassen ortsaufgelöster Bilder sowie eine Projektionseinheit zum Projizieren von Streifenmustern auf. Die erste Bildaufnahmeeinheit 10 ist mittels eines Kabels oder alternativ drahtlos mit der Auswerteeinheit 9 verbunden. Die Auswerteeinheit 9 übernimmt somit ebenfalls die Speicherung und Verarbeitung der Daten der ersten Bildaufnahmeeinheit 10, ebenso der zweiten Bildaufnahmeeinheit 11.

Wie zuvor beschrieben, erzeugt die erste Bildaufnahmeeinheit 10 während der Aufnahme der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern Muster z.B. nach dem Prinzip der Streifenprojektion, sodass in an sich bekannter Weise photogrammetrisch mittels der Auswerteeinheit 9 in einem Verfahrensschritt B ein dreidimensionales Modell erstellt wird, welches zumindest die dem Messkopf 1 zugewandte Fläche des Messgegenstandes 8a umfasst. Das dreidimensionale Modell weist ein Polygonnetz aus Dreiecken auf, welches die geometrische Form dieses Bereichs wiedergibt. Alternativ ist die erste Bildaufnahmeeinheit 10 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 Informationen bezüglich der Textur und/oder Farbe der Oberfläche auf, insbesondere bevorzugt, indem sie beispielsweise eine Farbkamera umfasst. Die Aufnahme von Textur- und/oder Farbinformationen und ihre räumliche Zuordnung zu den aufgenommenen Bildern bzw. dem topografischen 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 Kamerabildes relativ zum 3D-Modell ebenfalls deutlich exakter zuordnen lässt.

In einem Verfahrensschritt C erfolgt ein Bereitstellen eines Messkopf-Modells, das zumindest ein Messkopfelement umfasst, welches in einem vorgegebenen Bezug zu dem Messstrahl 6 steht.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist Verfahrensschritt C als Kombination der Verfahrensschritte C1 und C3 wie zuvor beschrieben ausgebildet. Gemäß der Beschreibung zu 1 wird ein Abgleichmodell 1' des Messkopfs 1 zur Verfügung gestellt, welches vorliegend als Polygonnetz ausgebildet ist, und in welchem der Laseraustrittspunkt 5 gekennzeichnet ist. Mittels der ersten Bildaufnahmeeinheit 10 wird in einem Verfahrensschritt Ci eine Mehrzahl von ortsaufgelösten Messkopf-Bildern aufgenommen, welche zumindest die Laserstrahlaustrittsöffnung 4 als Messkopfelement umfassen. Das Aufnehmen der Mehrzahl von ortsaufgelösten Messkopf-Bildern erfolgt aus unterschiedlichen Perspektiven.

In einem Verfahrensschritt Cii erfolgt ein Erstellen des Messkopf-Modells, mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Messkopf-Bildern. Anschließend erfolgt, wie bereits zu 1 beschrieben, ein Abgleich mit dem vorgegebenen Messkopf-Modell, sodass im Koordinatensystem des Messkopf-Modells die Position des Laseraustrittspunktes 5 bekannt ist.

In einem Verfahrensschritt D erfolgt ein Erstellen einer Zuordnung zwischen Koordinaten im dreidimensionalen Messobjekt-Modell und Koordinaten im Messkopf-Modell mithilfe von einer ersten Struktur im Messkopf-Modell und einer zweiten Struktur im Messkopf-Modell und abhängig von einem räumlichen Bezug der ersten und zweiten Struktur zueinander.

Im vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel eines Verfahrens ist Verfahrensschritt D als Verfahrensschritt D1 wie zuvor beschrieben ausgebildet. Folglich ist die erste Struktur identisch zu der zweiten Struktur. Weiterhin werden Messobjekt-Modell und das Messkopf-Modell als ein gemeinsames Modell erstellt.

In diesem Ausführungsbeispiel nimmt der Benutzer mittels der ersten Bildaufnahmeeinheit 10 somit ebenfalls ortsaufgelöste Bilder des Zwischenraums zwischen Messobjekt 8 und Messkopf 1 auf. Verfahrensschritt Ci ist somit in Verfahrensschritt A integriert. Im Ergebnis liegen somit zumindest teilweise überlappende ortsaufgelöste Bilder ausgehend von dem Messobjekt 8 zu dem Messkopf 1 vor. Mittels der Mehrzahl an zumindest teilweise überlappenden ortsaufgelösten Bildern ist somit eine Brücke zwischen Messobjekt 8 und Messkopf 1 geschaffen. Bei Erstellen des gemeinsamen Modells von Messkopf und Messobjekt mittels der zuvor beschriebenen an sich bekannten photogrammetrischen Methoden entsteht somit ein Modell, in welchem sich Messkopf 1 und Messobjekt 8 in einem gemeinsamen Koordinatensystem befinden. Die erste und zweite Struktur ist in diesem Ausführungsbeispiel somit eine beliebige Struktur, da beide Modelle als gemeinsames Modell erschaffen werden und somit alle Strukturen sowohl im Messkopf-Modell als auch im Messobjekt-Modell liegen. Exemplarisch kann eine Struktur im Zwischenraum zwischen Messobjekt 8 und Messkopf 1 als identische erste und zweite Struktur bezeichnet werden.

Aufgrund des Erstellens des Messobjekt-Modells und des Messkopf-Modells als gemeinsames Modell ist somit wie zuvor beschrieben Verfahrensschritt D bereits durchgeführt, da ein Erstellen einer Zuordnung zwischen Koordinaten im dreidimensionalen Messobjekt-Modell und Koordinaten in Messkopf-Modell mithilfe von einer ersten Struktur im Messobjekt-Modell und einer zweiten Struktur im Messkopf-Modell und abhängig von einem räumlichen Bezug zur ersten und zweiten Struktur zueinander bereits erfolgt ist.

In einem Verfahrensschritt E erfolgt das Bestimmen des Messstrahlverlaufs des Messstrahls 6 vorliegend mittels Durchführen der Verfahrensschritte Ei und Eiii:

Wie zuvor beschrieben, wurde ein Abgleichmodell bereitgestellt, in welchem der Laseraustrittspunkt 5 lokalisiert ist. Daher sind im Messobjekt-Modell die Koordinaten des Laseraustrittspunktes 5 bekannt.

Mittels der zweiten Bildaufnahmeeinheit 11 wird ein ortsaufgelöstes Bild der Messoberfläche des Messobjekts 8 aufgenommen, welches den durch den Messstrahl 6 beaufschlagten Messpunkt auf der Messoberfläche umfasst.

Mittels der Auswerteeinheit 9 wird der Messpunkt in dem ortsaufgelösten Bild lokalisiert, insbesondere durch Abdunkeln des Kamerabildes und Vorgeben eines Schwellenwerts wie zuvor beschrieben. Anschließend erfolgt eine Zuordnung von Ortskoordinaten im Messobjekt-Modell zu dem Auftreffpunkt des Messstrahls 6 wie zuvor beschrieben.

Es ist somit eine Bestimmung der Koordinaten des Messstrahlauftreffpunkts des Messstrahls auf dem Messobjekt gemäß Verfahrensschritt Eiii erfolgt.

Hierdurch ist der Strahlverlauf des Messstrahls 6 bestimmt: Im Koordinatensystem des Messkopf-Modells sind die Koordinaten des Laseraustrittspunktes 5 und des Auftreffpunktes des Messstrahls 6 auf dem Messgegenstand 8a bekannt. Durch diese zwei Punkte ist somit die optische Achse des Messstrahls 6 festgelegt. Insbesondere kann in einfacher Weise ein Auftreffwinkel des Messstrahls 6 auf den Messgegenstand 8a ermittelt werden. Beispielsweise kann eine Flächenorientierung der Oberfläche des Messgegenstandes 8a im Bereich des Auftreffpunktes des Messstrahls 6 im Messobjekt-Modell ermittelt werden, und anhand der zuvor bestimmten optischen Achse des Messstrahls 6 kann der Auftreffwinkel des Messstrahls auf den Messgegenstand 8a bestimmt werden.

Alternativ kann das den durch den Messstrahl 6 beaufschlagten Messpunkt auf der Messoberfläche umfassende ortsaufgelöste Bild anstelle mittels der zweiten Bildaufnahmeeinheit 11 auch mittels der ersten Bildaufnahmeeinheit 10 erfasst werden. Dadurch ist es wie zuvor beschrieben möglich, die Koordinaten des Messstrahlauftreffpunktes im Messobjekt-Modell zu bestimmen, insbesondere wie zu Figur 9 näher erläutert.

In einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung gemäß des ersten Ausführungsbeispiels weist der Messkopf 1 zusätzlich eine Hilfsstrahlquelle zum Aussenden eines Hilfsstrahls 12 auf.

Der Hilfsstrahl 12 verläuft parallel, jedoch in einer bekannten Richtung beabstandet zu dem Messstrahl 6.

In diesem Ausführungsbeispiel ist in Verfahrensschritt C zusätzlich die Information vorgegeben, in welchem Abstand der Hilfsstrahl 12 zu dem Messstrahl 6 verläuft.

Die Durchführung von Verfahrensschritt Ei erfolgt analog, da im Messkopf-Modell zusätzlich wie zuvor beschrieben die Position des Laseraustrittspunktes 5 vorgegeben ist.

In diesem Ausführungsbeispiel wird in Verfahrensschritt Eiii jedoch ein ortsaufgelöstes Bild aufgenommen, welches den Auftreffpunkt des Hilfsstrahls 12 auf der Messoberfläche umfasst. Mittels der zweiten Bildaufnahmeeinheit 11 wird ein ortsaufgelöstes Bild aufgenommen, welches den Hilfsstrahlauftreffpunkt des Hilfsstrahls 12 auf den Messgegenstand 8a umfasst. Wie zuvor beschrieben, wird der Hilfsstrahlauftreffpunkt in diesem ortsaufgelösten Bild lokalisiert und es werden Koordinaten zu dem Hilfsstrahlauftreffpunkt im Messobjekt-Modell zugeordnet.

Da vorgegeben ist, dass Hilfsstrahl 12 und Messstrahl 6 parallel verlaufen und der Abstand zwischen Hilfsstrahl und Messstrahl vorgegeben ist, kann aus diesen Daten ebenfalls der Strahlverlauf des Messstrahls 6 bestimmt werden.

In den nachfolgenden Figuren sind weitere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Messvorrichtungen gezeigt, und es werden weitere Ausführungsbeispiele des Verfahrens beschrieben. Diese Messvorrichtungen und Verfahren entsprechen in einer Mehrzahl von Merkmalen der Messvorrichtung und dem Verfahren gemäß der Beschreibung zu 1. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird nachfolgend daher auf die wesentlichen Unterschiede, insbesondere zu zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen der Messvorrichtung und des Verfahrens eingegangen:

In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung gezeigt.

Diese weist insgesamt vier Messköpfe 1, 1a, 1b und 1c auf, die an einer gemeinsamen Haltevorrichtung 13 angeordnet sind. Die Messköpfe sind alle mit der Auswerteeinheit 9 verbunden, die zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist.

Die Messköpfe werden vor Bestimmung des Strahlverlaufs in der gezeigten x-Richtung an der Haltevorrichtung 13 durch den Benutzer verschoben, um eine gewünschte Messkonfiguration zu erzielen.

Es können somit beispielsweise vier Messpunkte auf dem Messgegenstand 8a gleichzeitig beaufschlagt werden, insbesondere vier ortsverschiedene Messpunkte.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel vorgegangen: Es wird ein gemeinsames Modell erstellt, welches das Messobjekt-Modell und das Messkopf-Modell für alle Messköpfe umfasst: Mittels der beweglichen ersten Bildaufnahmeeinheit 10 nimmt der Benutzer eine Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern aus unterschiedlichen Perspektiven auf, welche sowohl den Messgegenstand 8a, alle Messköpfe 1, 1a, 1b und 1c sowie den Zwischenraum zwischen Messgegenstand 8a und zumindest einem der Messköpfe umfassen.

Nach Ausbilden eines dreidimensionalen Messobjekt-Modells wie zuvor beschrieben umfasst das Messobjekt-Modell somit auch die Messköpfe, sodass die Zuordnung gemäß Verfahrensschritt D wie zuvor beschrieben bereits erfolgt ist.

In diesem zweiten Ausführungsbeispiel sind die Messköpfe in ihrem Aufbau identisch. Zu Verfahrensschritt C muss daher lediglich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ein Messkopf-Modell vorgegeben werden, in welchem der Ort des Laseraustrittspunktes 5 lokalisiert ist. Dieses Modell kann für alle vier Messköpfe verwendet werden, sodass für alle vier Messköpfe der Ort des jeweiligen Laseraustrittspunktes 5 im Messkopf-Modell und somit auch im Messobjekt-Modell bekannt ist.

Mittels der zweiten Bildaufnahmeeinheit 11 werden vier ortsaufgelöste Bilder aufgenommen, wobei jedes Bild jeweils einen Auftreffpunkt des Messstrahls 6 eines der Messköpfe umfasst. Hierzu wird zunächst ausschließlich Messkopf 1 eingeschaltet, sodass das ortsaufgelöste Bild lediglich den Auftreffpunkt des Messstrahls 6 des Messkopfes 1 umfasst. Anschließend wird ausschließlich Messkopf 1a angeschaltet, und diese Schritte werden entsprechend für alle vier Messköpfe durchgeführt, sodass vier ortsaufgelöste Bilder vorliegen, die jeweils den Messstrahlauftreffpunkt eines der Messköpfe umfassen.

Wie zuvor beschrieben wird mittels der Auswerteeinheit 9 eine Lokalisierung der Messstrahlauftreffpunkte und eine Zuordnung von Ortskoordinaten im Messobjekt-Modell zu allen vier Messstrahlauftreffpunkten durchgeführt. Hierzu werden die vorgenannten vier ortsaufgelösten Bilder verwendet, und die Bestimmung der Ortskoordinaten im Messobjekt-Modell erfolgt wie zuvor beschrieben.

Es liegen somit für jeden Messkopf gemäß Verfahrensschritt Ei die Ortskoordinaten des Laseraustrittspunkts 5 sowie gemäß Verfahrensschritt Eiii die Ortskoordinaten des Auftreffpunkts des Messstrahls vor. Für jeden Messkopf wird basierend auf diesen Daten der jeweilige Messstrahlverlauf und der jeweilige Auftreffwinkel des Messstrahls auf die Oberfläche des Messgegenstandes 8a am jeweiligen Messpunkt ermittelt.

In einer abgewandelten Ausgestaltung des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels werden die zuvor beschriebenen vier ortsaufgelösten Bilder, die jeweils einen Auftreffpunkt des Messstrahls 6 eines der Messköpfe umfassen, nicht mittels der Bildaufnahmeeinheit 11, sondern mit der Bildaufnahmeeinheit 10 in Verfahrensschritt A während der Aufnahme der ortsaufgelösten Bilder zum Erstellen des Messobjekt-Modells aufgenommen. Wie zuvor beschrieben werden die Auftreffpunkte jeweils in den ortsaufgelösten Bildern lokalisiert und ihnen werden jeweils Ortskoordinaten im Messobjekt-Modell zugeordnet, vorliegend wie zu 9 beschrieben. Auch hier dann liegen wieder für jeden Messkopf gemäß Verfahrensschritt Ei die Ortskoordinaten des Laseraustrittspunkts 5 sowie gemäß Verfahrensschritt Eiii die Ortskoordinaten des Auftreffpunkts des Messstrahls vor, und es kann für jeden Messkopf der jeweilige Messstrahlverlauf und der jeweilige Auftreffwinkel des Messstrahls auf die Oberfläche des Messgegenstandes 8a am jeweiligen Messpunkt ermittelt werden.

In einer alternativen Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels weist die Messvorrichtung zusätzlich für jeden der Messköpfe einen Positionsdetektor auf: Die Messköpfe können wie zuvor beschrieben durch den Benutzer in x-Richtung verschoben werden. Die Positionsdetektoren jedes Messkopfes sind ebenfalls mit der Auswerteeinheit 9 verbunden, sodass die Auswerteeinheit 9 für jeden Messkopf die jeweilige x-Position anhand der Messdaten des jeweiligen Positionsdetektors bestimmt. Die Positionsdetektoren weisen somit den Vorteil auf, dass nach einer Positionierung einer oder mehrere Messköpfe mittels Verschieben durch den Benutzer nicht erneut ortsaufgelöste Bilder der Messköpfe aufgenommen werden müssen, da die veränderte Positionierung durch Auslesen der Messdaten der Positionsdetektoren berücksichtigt werden kann.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform sind die Messköpfe nicht wie in 3 dargestellt in x-Richtung verschiebbar, sondern können in zwei Achsen gedreht werden. Entsprechend weist die Messvorrichtung in diesem alternativen Ausführungsbeispiel für jeden Messkopf zwei Richtungsdetektoren als Positionsdetektoren auf. In Verfahrensschritt C ist entsprechend als Information vorgegeben, wie abhängig von zwei mittels der Richtungsdetektoren bestimmten Neigungswinkeln der Messköpfe sich die Ortskoordinaten des Laseraustrittspunkts des jeweiligen Messkopfes relativ zu der Haltevorrichtung bestimmen.

In dieser Abwandlung des Ausführungsbeispiels können die Messköpfe durch den Benutzer somit in zwei Raumrichtungen verkippt werden. In gleicher Weise erfolgt die Bestimmung des Messstrahlverlaufs für jeden der vier Messköpfe.

In einer weiteren Abwandlung des Ausführungsbeispiels sind im Bodenbereich zwischen Messobjekt 8 und den Messköpfen optische Marker 15 angeordnet. Die optischen Marker 15 werden ebenfalls durch ein ortsaufgelöstes Bild bei Durchführung von Verfahrensschritt A und/oder Ci erfasst. Dies weist einen Vorteil auf, wenn die Position des Messobjekts 8 oder der Haltevorrichtung 13 geändert werden soll: Entscheidet sich der Benutzer, die Position lediglich eines dieser Objekte zu ändern und verbleibt die Position des anderen Objektes unverändert relativ zu den optischen Markern, so muss der Benutzer nach Positionsänderung lediglich eine Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern aufnehmen, welche das geänderte Objekt und die optischen Marker 15 umfassen. Mittels der Auswerteeinheit 9 kann dann ein korrigiertes gemeinsames Modell erstellt werden. Verschiebt der Benutzer beispielsweise das Messobjekt 8 oder dreht dieses, belässt aber Haltevorrichtung 13 und die Messköpfe unverändert, so muss lediglich eine Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern des Messobjekts 8 in veränderter Stellung und der optischen Marker 15 aufgenommen werden. Die optischen Marker 15 stellen die identische, gemeinsame Struktur in Messobjekt-Modell und Messkopf-Modell dar, sodass mittels der Auswerteeinheit 9 die entsprechende Zuordnung gemäß Verfahrensschritt B erfolgt.

In 4 ist das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messvorrichtung nochmals dargestellt, um ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens mit einem Verfahrensschritt D2 zu verdeutlichen:

Das Verfahren gleicht im Wesentlichen dem zu 3 geschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel eines Verfahrens, jedoch mit Abwandlungen wie folgt:

Im dritten Ausführungsbeispiel eines Verfahrens werden Messobjekt-Modell und Messkopf-Modell separat erstellt:

In Verfahrensschritt A erfolgt ein Aufnehmen einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Messkopf-Bildern, die jedoch lediglich das Messobjekt 8 umfassen, nicht jedoch den Zwischenraum zu den Messköpfen und ebenfalls nicht die Messköpfe 1, 1a, 1b und 1c.

In Verfahrensschritt B erfolgt entsprechend das Erstellen eines dreidimensionalen Messobjekt-Modells.

In Verfahrensschritt C werden die Messköpfe 1, 1a, 1b und 1c in einem gemeinsamen Modell erfasst. Auch die Vorgabe von Abgleichmodellen und zusätzlichen Informationen erfolgt gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens.

In dem vorliegenden dritten Ausführungsbeispiel wird jedoch eine Stange als Überbrückungsobjekt 14 verwendet. Das Überbrückungsobjekt 14 ist als Metallstange ausgebildet, die an jedem Ende drei voneinander beabstandete Kugeln in unterschiedlicher Farbe aufweist.

Bei Aufnahme der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern gemäß Verfahrensschritt A werden ebenfalls Bilder der dem Messobjekt 8 zugewandten Kugeln des Überbrückungsobjektes 14 aufgenommen.

Entsprechend werden in Verfahrensschritt Ci bei Aufnahme einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern die den Messköpfen zugewandten Kugeln von diesen Bildern erfasst.

Die Kugeln, welche dem Messobjekt 8 zugewandt sind, bilden somit eine erste Struktur im Messobjekt-Modell und die Kugeln, welche den Messköpfen zugewandt sind, bilden somit eine zweite Struktur im Messkopf-Modell.

In diesem Ausführungsbeispiel wird zusätzlich der räumliche Bezug der beiden Strukturen vorgegeben: Vorliegend wird die Länge der Stange vorgegeben sowie die räumliche Anordnung der Kugeln am jeweiligen Ende der Stange und somit auch die räumliche Anordnung aller Kugeln zueinander.

In Verfahrensschritt D ist es somit möglich, eine Zuordnung zwischen Koordinaten im dreidimensionalen Messobjekt-Modell und Koordinaten im Messkopf-Modell mithilfe der ersten Struktur im Messobjekt-Modell und der zweiten Struktur im Messkopf-Modell und abhängig von dem zuvor beschriebenen räumlichen Bezug der ersten und zweiten Struktur zueinander durchzuführen. In diesem Ausführungsbeispiel ist somit die Verwendung des Überbrückungsobjektes 14 und die Vorgabe der zuvor beschriebenen Informationen zu dem Überbrückungsobjekt 14 notwendig. Im Gegenzug ist es nicht notwendig, dass der Benutzer auch den Zwischenraum zwischen Messobjekt 8 und den Messköpfen mittels ortsaufgelöster Bilder erfasst.

Verfahrensschritt E kann anschließend wie zuvor beschrieben durchgeführt werden.

In 5 ist die Messvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nochmals dargestellt, um ein viertes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens, ebenfalls mit einem Verfahrensschritt D2 zu verdeutlichen. Das vierte Ausführungsbeispiel entspricht dem dritten Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Beschreibung zu 4, mit folgenden Unterschieden:

Als Überbrückungsobjekt wird eine Mehrzahl von ringförmigen optischen Markern 15a verwendet. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit sind an den Messköpfen und an der Haltevorrichtung nur manche der ringförmigen optischen Marker mit Bezugszeichen 15a versehen.

In diesem vierten Ausführungsbeispiel wird somit zusätzlich die Information der räumlichen Abstände der auf dem Messobjekt angeordneten Marker 15a zu den an der Haltevorrichtung angeordneten Markern 15a vorgegeben. Diese räumlichen Abstände können beispielsweise durch den Benutzer gemessen werden, z.B. mit einem Maßband oder einem Maßstab. Es ist daher ebenfalls nicht notwendig, dass mittels ortsaufgelöster Bilder der Zwischenraum zwischen Messobjekt 8 und Haltevorrichtung 13 erfasst wird. Die am Messobjekt 8 angeordneten optischen Marker stellen somit eine erste Struktur im Messobjekt-Modell, und die an der Haltevorrichtung und/oder den Messköpfen angeordnete Marker stellen somit eine zweite Struktur im Messkopf-Modell zur Durchführung von Verfahrensschritt D dar. Der räumliche Bezug zwischen erster und zweiter Struktur wird durch den Benutzer basierend auf seinen Messungen vorgegeben.

In einer Abwandlung des vorangehenden Ausführungsbeispiels sind die in 5 auf dem Messobjekt 8 angeordneten Marker 15a stattdessen in der Umgebung des Messobjekts 8 angeordnet, beispielsweise auf dem Boden vor dem Messobjekt (siehe Marker 15b vor dem Messobjekt 9). Ebenso sind in der Umgebung der Haltevorrichtung Marker angeordnet, beispielsweise auf dem Boden vor der Haltevorrichtung (siehe Marker 15b vor der Haltevorrichtung 13).

Der räumliche Bezug zwischen den Markern 15b am Messobjekt und den Markern 15b an der Haltevorrichtung ist vorgegeben, beispielsweise durch den Benutzer, der die jeweiligen Abstände der Marker mit einem Maßband vermisst. Das Messobjekt-Modell wird in Verfahrensschritt A derart erfasst, dass auch die Marker 15b vor dem Messgegenstand 8a enthalten sind. Entsprechend wird das Messkopf-Modell in Verfahrensschritt Ci derart erfasst, dass auch die Marker 15b vor der Haltevorrichtung 13 enthalten sind. Die Marker 15b vor dem Messobjekt stellen somit die erste Struktur und die die Marker 15b vor der Haltevorrichtung die zweite Struktur für Verfahrensschritt D dar. Hierdurch ist in analoger Weise die Durchführung des Verfahrensschritts D möglich.

Hier ergibt sich der Vorteil, dass der Benutzer lediglich einmalig die Abstände der Marker 15b zueinander vermessen muss. Anschließend muss auch nach einem Ändern der Position der Haltevorrichtung oder des Messobjekts lediglich ein neues Messobjekt- bzw. Messkopf-Modell erstellt werden, ohne dass der räumliche Bezug zwischen erster und zweiter Struktur neu erfasst werden muss.

In einer weiteren Abwandlung sind zusätzlich Marker 15a auf dem Messköpfen 1, 1a ,1b, 1c vorgegeben, sowie die Information, dass der Messstrahlverlauf jedes Messkopfes parallel zu einer Verbindungslinie der beiden Marker dieses Messkopfes verläuft. In diesem Ausführungsbeispiel muss somit kein Abgleichmodell verwendet werden, da nach Erzeugen eines Messkopf-Modells, welches die Marker 15b vor der Haltevorrichtung 13 sowie die Marker 15a auf den Messköpfen umfasst, die Strahlrichtung jedes Messstrahls im Messkopf-Modell bestimmt werden kann.

In 6 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Verdeutlichung eines fünften Ausführungsbeispiels eines Verfahrens mit einem Verfahrensschritt D3 gezeigt:

Die Messvorrichtung ist weitgehend übereinstimmend mit der Messvorrichtung gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels und der Beschreibung zu 3 ausgebildet. An einer Haltevorrichtung 13 sind die vier Messköpfe 1, 1a, 1b und 1c angeordnet, welche vorliegend durch den Benutzer in zwei Achsen gekippt werden können. Entsprechend weist die Messvorrichtung für jeden Messkopf zwei Drehpositionsdetektoren auf, um für jeden Messkopf die vom Benutzer gewählte Verkippung zu erfassen.

Für Verfahrensschritt C wird ein Messkopf-Modell vorgegeben, welches abhängig von Kippwinkeln für jeden der Messköpfe die Messstrahlausbreitungsrichtung für jeden Messkopf sowie die Ortskoordinaten des Laseraustrittspunkts für jeden Messkopf vorgibt.

Nachdem der Benutzer jeden der Messköpfe 1, 1a, 1b und 1c in eine gewünschte Stellung mittels Drehen um die beiden Achsen gebracht hat, erfasst die Auswerteeinheit 9 mittels der Drehpositionsdetektoren die vom Benutzer gewählten Kippwinkel der Messköpfe. Basierend auf der vorgegebenen Zuordnung von Kippwinkeln zu den Ortskoordinaten der Laseraustrittspunkte und zu Messstrahlausbreitungsrichtungen ermittelt die Auswerteeinheit 9 für jeden der Messköpfe jeweils die Ortskoordinaten des Laseraustrittspunktes sowie die Messstrahlausbreitungsrichtung im Messkopf-Modell.

Der Benutzer erfasst in diesem Ausführungsbeispiel mittels der ersten Bildaufnahmeeinheit 10 lediglich eine Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern des Messobjekts 8. Aus diesem wird in Verfahrensschritt B ein dreidimensionales Messobjekt-Modell wie zuvor beschrieben erstellt.

Mittels der zweiten Bildaufnahmeeinheit 11 werden gemäß der Beschreibung zu Figur 3 für jeden Messkopf die Ortskoordinaten des Auftreffpunktes des zugehörigen Messstrahls auf den Messgegenstand 8a im Messkopf-Modell ermittelt wie zuvor beschrieben.

Es sind somit die Ortskoordinaten der Messstrahlauftreffpunkte im Messobjekt-Modell bekannt. Weiterhin sind für jeden Messkopf die Position des Laseraustrittspunktes sowie die Messstrahlausbreitungsrichtung im Messkopf-Modell bekannt.

Die Zuordnung gemäß Verfahrensschritt D erfolgt wie zuvor zu Verfahrensschritt D3 beschrieben.

Ebenso kann in einer Abwandlung des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels für jeden Messkopf ein ortsaufgelöstes Bild des durch den jeweiligen Messstrahl beaufschlagten Auftreffpunktes des zugehörigen Messstrahls mittels der Bildaufnahmeeinheit 10 während der Aufnahme der ortsaufgelösten Bilder gemäß Verfahrensschritt A aufgenommen werden. Auch hier werden gemäß der Beschreibung zu Figur 9 für jeden Messkopf mittels des ortsaufgelösten Bildes, welches den mit dem zugehörigen Messstrahl beaufschlagten Auftreffpunkt umfasst, die Ortskoordinaten des Auftreffpunktes im Messobjekt-Modell ermittelt.

In 7 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 16 ausgebildet. Die Bildaufnahmeeinheit gemäß b) weist zusätzlich einen Entfernungsmesser 17 auf.

In einer alternativen Ausgestaltung ist das mit Bezugszeichen 17 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 17 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 10, sowie als ortsfeste Bildaufnahmeeinheit 11 eingesetzt werden.

Die Bildaufnahmeeinheit c) ist insbesondere als bewegliche Bildaufnahmeeinheit 10 geeignet:

Die Bildaufnahmeeinheit gemäß c) weist eine Farbbildkamera 18, eine Schwarz-Weiß-Kamera 19, sowie eine Streifenprojektionseinheit 20 auf. Mittels der Streifenprojektionseinheit 20 wird ein Streifenmuster auf das Messobjekt 8 und insbesondere den Messgegenstand 8a projiziert. Mittels der Schwarz-Weiß-Kamera 19 wird ein ortsaufgelöstes Bild aufgenommen. Anschließend werden Streifenprojektionseinheit 20 und Schwarz-Weiß-Kamera 19 abgeschaltet und mittels der Farbbildkamera 18 wird ein ortsaufgelöstes Farbbild aufgenommen. Dieser Ablauf wird in zeitlich kurzer Abfolge wiederholt. Der Benutzer führt die bewegliche Bildaufnahmeeinheit 10, welche als Handgerät ausgebildet ist, um den Messgegenstand 8a herum, so dass eine Mehrzahl ortsaufgelöster Bilder sowohl mittels der Schwarz-Weiß-Kamera 19, als auch mittels der Farbkamera 18 aufgenommen wird. Aus den Bildern der Schwarz-Weiß-Kamera kann durch das an sich bekannte Streifenprojektionsverfahren ein dreidimensionales Modell des Messobjekts 8 erstellt werden. Darüber hinaus können den einzelnen Flächen des dreidimensionalen Modells, insbesondere Flächen eines Polygonnetzes des dreidimensionalen Modells, Bildbestandteile der mittels der Farbbildkamera 18 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 21 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 bzw. gestreute Lichtpuls 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 bestimmt werden. Entsprechendes kann auch mittels sinusförmig moduliertem statt gepulstem Licht erreicht werden. Die Zeitdifferenz zwischen Aussenden des modulierten Lichts und Wiedereintreffen des reflektierten / zurückgestreuten Lichtes wird hier aus der Phasenbeziehung zwischen dem ausgesandten und dem empfangenen modulierten Licht bestimmt. 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.

In 8 ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung dargestellt. Dieses entspricht weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2, weist jedoch statt einer an dem Messkopf 1 angeordneten zweiten Bildaufnahmeeinheit vier Hilfsstrahlquellen 22 auf, die jeweils einen Hilfsstrahl 12 erzeugen. Die Hilfsstrahlen 12 treffen auf ortsverschiedene Punkte auf dem Messobjekt 8a auf. Zur Bestimmung des Strahlverlaufs des Messstrahls 6 wird ein dreidimensionales Messobjekt-Modell gemäß der Verfahrensschritte A und B wie zuvor beschrieben erstellt. In Verfahrensschritt C wird basierend auf CAD-Daten ein Messkopf-Modell bereitgestellt, welches die Ausrichtung der Hilfsstrahlquellen 22 umfasst. Es sind im Messkopf-Modell somit die Strahlverläufe der Hilfsstrahlen 12 bekannt, insbesondere in Bezug zu einem oder auch mehreren Messkopfelementen des Messkopfes 1. Die mittels der Bildaufnahmeeinheit 10 aufgenommenen ortsaufgelösten Bilder umfassen auch mindestens ein Bild, welches zumindest Teile des Messgegenstands 8a zeigt, während er von den vier Hilfsstrahlen beaufschlagt wird. Verfahrensschritt D wird daher gemäß der zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltung D3 ausgeführt, mit Bestimmung der Koordinaten der Auftreffpunkte der Hilfsstrahlen 12 im Messobjekt-Modell. Hierbei definieren somit die Auftreffpunkte der vier Hilfsstrahlen 12 auf dem Messobjekt die erste Struktur und die im Messkopf-Modell vorgegebenen Messkopfelemente, deren räumlicher Bezug zu den Strahlverläufen der Hilfsstrahlen 12 bekannt ist, die zweite Struktur.

Im Messkopf-Modell ist weiterhin die Ausbreitungsrichtung des Messstrahls 6 sowie der Ortspunkt des Laseraustrittspunktes 5 vorgegeben. Durch die zuvor beschriebene Zuordnung gemäß Verfahrensschritt D3 kann somit in Verfahrensschritt E auch der Strahlverlauf des Messstrahls 6 im Messobjekt-Modell bestimmt werden.

In einer Abwandlung des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels wird als Messkopf-Modell die räumliche Anordnung der Hilfsstrahlen 12 relativ zu dem Messstrahl 6 vorgegeben. Die Hilfsstrahlen 12 sind nicht parallel zueinander ausgerichtet, so dass basierend auf den Koordinaten der Auftreffpunkte der Strahlverlauf des Messstrahls 6, insbesondere der Auftreffwinkel auf dem Messgegenstand 8a berechnet werden kann.

Dies erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel dadurch, dass für jede mögliche Position und Ausrichtung des im Wesentlichen aus Lichtstrahlen bestehenden Messkopf-Modells die zugehörigen Auftreffpunkte auf dem Messobjekt berechnet werden können. Die Summe der Abstandsquadrate zu den tatsächlich gemessenen Auftreffpunkten ist im Fall der richtigen angenommenen Position und Ausrichtung des Messkopf-Modells Null bzw. minimal. Die richtige Position und Ausrichtung des Messkopf-Modells wird nun mit einem Minimierungsalgorithmus bestimmt, im einfachsten Fall mit einem Gradientenverfahren. Aus der Position und Ausrichtung des Messkopf-Modells_relativ zum Messobjekt ergibt sich dann in Kombination mit der Kenntnis des Messstrahlverlaufs im Messkopf-Modell auf einfache Weise der Strahlverlauf des Messstrahls 6 im Messobjekt-Modell.

9 zeigt schematisch eine Ansicht des -vorliegend als Auto dargestelltem-Messobjekts 8 mit einem durch einen Punkt gekennzeichneten Laserstrahlauftreffpunkt etwa mittig auf dem Messgegenstand 8a. Darüber ist schematisch ein ortsaufgelöstes Bild 8' dargestellt, welches mit einer Bildaufnahmeeinheit aufgenommen wurde. Das Bild 8' umfasst ebenfalls den Laserstrahlauftreffpunkt. Wie zuvor beschrieben, kann durch Zuordnen von Koordinaten des Messobjekt-Modells zu den Bildpunkten des Bildes 8' und Lokalisierung des Laserstrahlauftreffpunktes im Bild 8' 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 Laserstrahlauftreffpunkt im Kamerabild liegen. Durch eine Interpolation der 3D Koordinaten dieser Punkte des Geometriemodells können schließlich die 3D-Koordinaten des Laserstrahlauftreffpunkts bestimmt werden.

Bezugszeichenliste

1, 1a, 1b, 1c
Messkopf
1'
Abgleichmodell
2
quaderförmiger Teil des Messkopfes
3
zylindrischer Teil des Messkopfes
4
Laserstrahlaustrittsöffnung
5
Laseraustrittspunkt
6
Messstrahl
7
Messstrahlausbreitungsrichtung
8
Messobjekt
8a
Messgegenstand
9
Auswerteeinheit
10
erste Bildaufnahmeeinheit
11
zweite Bildaufnahmeeinheit
12
Hilfsstrahl
13
Haltevorrichtung
14
Überbrückungsobjekt
15, 15a, 15b
optischer Marker
16
Objektiv
17
Entfernungsmesser
18
Farbbildkamera
19
s/w-Kamera
20
Streifenprojektionseinheit
21
Ablenkeinheit
22
Hilfsstrahlquelle

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

  • US 6711293 B1 [0041]
  • DE 102007010389 [0144]