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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der
berührungslosen
Erfassung bzw. Vermessung dreidimensionaler Objekte. Insbesondere
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das technische Teilgebiet
der Scanner zum Erfassen eines Oberflächenreliefs mittels einer optischen Abtastung.
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Bekannte
Scanner für
kurze Objektentfernungen nutzen meist das Verfahren der Triangulation,
wie es in 7 dargestellt
ist. Hierbei wird von einer Lichtquelle 705 eines Scanners 700 ein
geeignetes Lichtmuster auf das zu untersuchende Objekt 710 projiziert,
während
ein elektronischer Bildaufnehmer 720 das entstehende Abbild
aus einem anderen Blickwinkel erfasst. Wie in 7 dargestellt ist, führt das Oberflächenprofil
des in unterschiedliche Richtungen 730 und 740 verdreh-
bzw. verschiebbaren Objektes 710 zu einem Versatz des projizierten
Lichtmusters gegenüber
einer Referenzebene 750, woraus sich über Bildverarbeitungsalgorithmen
Objektkoordinaten berechnen lassen. Ein vollständiges räumliches Modell des Objektes 710 kann
gewonnen werden, wenn das Objekt 710 und der Scanner 700 in
einer definierten Weise relativ zueinander bewegt werden. Die 7 zeigt somit einen 3D-Scanner,
der nach dem Triangulationsprinzip arbeitet.
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Je
nach Anwendungsfall finden unterschiedliche Lichtquellen Verwendung,
wie etwa herkömmliche
Projektoren mit Schattenmasken zur Strukturierung (z.B.
DE 000010149750 A1 ,
US 00006501554 B1 )
oder Laserlichtquellen entsprechend beispielsweise
DE 000019721688 A1 .
Auch Lichtquellen mit Vorsatzoptiken zur Erzeugung von Lichtfiguren
nach
DE 000019615685
A1 oder solche mit DMD-Bauelementen (DMD = Digital Micro
Device = Digitales Mikrospiegelelement mit mat rixförmiger Anordnung
von Mikrospiegeln mit Ein/Aus-Funktion,
wie sie üblicherweise
für Videoprojektoren „Beamer" verwendet werden)
können
zur Erzeugung von elektronisch steuerbaren Lichtfiguren beispielsweise
gemäß
EP 000000927334 B1 ,
US 000006611343 B1 ,
DE 000019810495 A1 verwendet
werden. Alle bekannten Geräte
dieser Klassen benutzen jedoch als Bildaufnehmer flächenhafte
(
DE 000010149750
A1 oder
DE
000019615685 A1 ) oder wenigstens zeilenförmige Bildsensoren
(wie beispielsweise in
US 000006501554
B1 offenbart ist) auf der Basis der CCD- oder CMOS-Technologie
(CCD = Charge Coupled Device = Ladungsgekoppeltes Bauelement = Sensortyp,
der unter Lichteinfall elektrische Ladungen akkumuliert, die über geeignet
gesteuerte Elektroden einer Ausleseelektronik zugeführt werden; CMOS
= Complementary Metal Oxid Semiconductor = Komplementärmetalloxidhalbleiter
= weitverbreitete Schaltungstechnik und Herstellungstechnologie für integrierte
Festkörperschaltkreise
auf Siliziumbasis).
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Neuerdings
sind mit sogenannten Mikroscannerspiegeln neuartige, elastisch aufgehängte und in
der Nähe
ihrer Eigenresonanz elektrostatisch angeregte mikrooptische Bauelemente
und die zugehörige
Ansteuerelektronik verfügbar,
wie dies beispielsweise in den nachfolgenden Dokumenten näher erläutert ist:
- A new driving principle for micromechanical torsional actuators
H.
Schenk, P. Dürr,
D. Kunze, H. Kück;
Micro-Electro-Mechanical
System, MEMS-Vol.1, Conf.: 1999 int. Mech. Eng. Congr. & Exh., 14–19 November 1999,
Nashville, p. 333–338,
1999
- A Novel Electrostatically Driven Torsional Actuator H. Schenk,
P. Dürr,
H. Kück
Proc.
3rd Int. Conf. On Micro Opto Electro Mechanical Systems,
Mainz, 30. August – 1.
September 1999, page 3–10,
1999
- Micromirror Spatial Light Modulators
P. Dürr, A. Gehner,
U. Dauderstädt,
3rd International Conference on Micro Opto Electro Mechanical Systems
(Optical MEMS) Proc. MEMS 1999, Mainz, 1999, S. 60–65
- A Resonantly Excited 2D-Micro-Scanning-Mirror with Large Deflection
H.
Schenk, P. Dürr,
D. Kunze, H. Lakner, H. Kück Sensors & Actuators, 2001
Sensors & Actuators,
A 89 (2001), Nr. 1–2,
ISSN 0924-4247, S. 104–111
- Large Deflection Micromechanical Scanning Mirrors for Linear
Scans and Pattern Generation
H. Schenk, P. Dürr, T. Haase,
D. Kunze, U. Sobe, H. Lakner, H. Kück Journal of Selected Topics
of Quantum Electronics 6, (2000), Nr. 5 ISSN 1077-260X, S. 715–722
- An Electrostatically Excited 2D-Micro-Scanning-Mirror with an
In-Plane Configuration of the Driving Electrodes
H. Schenk,
P. Dürr,
D. Kunze, H. Lakner, H. Kück Proc.
MEMS 2000, 13th Int. Micro Electro Mechanical Systems Conf, Miyazaki,
Japan, page 473–478,
2000
- Mechanical and electrical failures and reliability of Micro
Scanning Mirrors
E. Gaumont, A. Wolter, H. Schenk, G. Georgelin,
M. Schmoger 9th Int. Symposium on the physical and failure analysis
of integrated circuits (IPFA 9), 8–12 July 2002, raffles City
Convention Centre, Singapore, Proc. New York, IEEE Press, 2002,
ISBN 0-7803-7416-9, S. 212–217
- Improved layout for a resonant 2D Micro Scanning Mirror with
low operation voltages
A. Wolter, H. Schenk, E. Gaumont, H.
Lakner, SPIE Conference on MOEMS Display and Imaging Systems (mf07),
28–29
Jan. 2003, San Jose, California, USA, Proceedings, Belling ham, Wash.:
SPIE, 2003 (SPIE Proceedings Series 4985) ISBN 0-8194-4785-4, S.
72–74
- US 020040183149
A1
Micromechanical device
- WO002003010545A1
Mikromechanisches Bauelement
- WO002000025170A1, Mikromechanisches Bauelement Mit Schwingkörper
- EP 000001123526
B1 , US
000006595055 B1
- WO002004092745A1
Mikromechanisches Bauelement Mit Einstellbarer Resonanzfrequenz
- Driver ASIC for synchronized excitation of resonant Micro-Mirror
K.-U.
Roscher, U. Fakesch, H. Schenk, H. Lakner, D. Schlebusch, SPIE Conference
on MOEMS Display and Imaging Systems (mf07), 28–29 Jan. 2003, San Jose, California,
USA, Proceedings, Bellingham, Wash.: SPIE, 2003 (SPIE Proceedings
Series 4985) ISBN 0-8194-4785-4, S. 121–130
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Die
Klasse von MOEMS (MOEMS = Micro Opto Electromechanical Systems =
Mikro Opto Elektromechanische Systeme) gestatten es, Lichtstrahlen elektronisch
gesteuert ein- oder zweidimensional so auszulenken, dass mit punktförmigen Lichtquellen bzw.
Detektorelementen eine Fläche
oder ein Raumwinkel sequentiell abgerastert bzw. überstrichen
werden kann (Scanning).
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Für Projektionszwecke
stellt der Einsatz resonanter Mikrospiegel bereits eine bekannte
Lösung dar,
was beispielsweise aus den folgenden Schriften hervorgeht:
- DE 000019615685 A1 ,
- Low Cost projection device with a 2-dimensional resonant micro
scanning mirror
K.-U. Roscher, H. Grätz, H. Schenk, A. Wolter, H.
Lakner MEMS/MOEMS display and imaging systems II (2004), pp.22–31
- WO002003032046A1, Projektionsvorrichtung
- US 020040218155
A1 ,
-
Ebenso
werden für
Projektionszwecke Spiegel auf andere Weise, z.B. rotierend nach
DE 000010304187 A1 ,
DE 000010304188 A1 und WO002004068211A1
bewegt oder die bereits erwähnten
DMD-Bauelemente gemäß
EP 000000927334 B1 ,
US 000006611343 B1 oder
DE 000019810495 A1 zur
Erzeugung von Lichtmustern verwendet.
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Eine
Möglichkeit
zur eindimensionalen Erkennung einer Position eines Lichtstrahls
ist in „Torsional
stress, fatigue and fracture strength in silicon hinges of a micro
scanning mirror",
von A. Wolter, H. Schenk, H. Korth und H. Lackner (SPIE Symposium 2004,
26–28
Jan. 2004) vorgestellt worden. Diese eindimensionale Erkennung einer
Position eines Lichtstrahls bietet lediglich eine grobe und verzögerte Möglichkeit
zur einer Bestimmung der Position des Lichtstrahls, da die beschriebene
Methode einen vollständigen
Durchlauf des Lichtstrahls zwischen zwei Schwingungsamplitudenmaxima
eines Bewegungsweges des Lichtstrahls erfordert.
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Ferner
sind für
den Anwendungsbereich der folgenden Erfindung noch die weiteren
Druckschriften relevant:
- EP 000000999429 A1 Messinstrument für 3D Form mit
Laser Scanner und Digitalkamera
- US 020030202691
A1 Calibration of multiple cameras for a turntable-based
3D scanner
- US 000006486963
B1 Precision 3D scanner base and method for measuring manufactured
parts
- DE 000019846145
A1 Verfahren und Anordnung zur 3D-Aufnahme
- DE 000019613978
A1 Verfahren zum Zusammenfügen der Meßdaten unterschiedlicher Ansichten
und Objektbereiche bei der optischen 3D-Koordinatenmeßtechnik
mittels flächenhaft
und auf der Basis von Musterprojektion arbeitenden Triangulationssensoren
- DE 000019536297
A1 Verfahren zur geometrischen Kalibrierung von optischen
3D-Sensoren zur dreidimensionalen Vermessung von Objekten und Vorrichtung
hierzu
- DE 000019536294
A1 Verfahren zur geometrischen Navigation von optischen
3D-Sensoren zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten
- EP 000001371969
A1 Ausrichtungsverfahren zum Positionieren von Sensoren
für 3D-Meßsysteme WO002000077471A1
Vorrichtung zur Berührungslosen
Dreidimensionalen Vermessung von Körpern und Verfahren zur Bestimmung
eines Koordinatensystems für
Messpunktkoordinaten
- EP 000000916071
B1 Triangulation-Based 3D Imaging And Processing Method
And System
- US 000005546189
A Triangulation-based 3D imaging and processing method
and system
- US 000005654800
A Triangulation-based 3D imaging and processing method
and system
- WO001998005923A1 Triangulation-Based 3D Imaging And Processing
Method And System
- CA 000002365323
A1 Method Of Measuring 3D Object And Rendering 3D Object
Acquired By A Scanner
- DE 000019721903
C1 Verfahren und Anlage zur meßtechnischen räumlichen
3D-Lageerfassung von Oberflächenpunkten
- CA 000002376103
A1 Active Structural Scanner For Scanning In 3D Mode Data
Of Unknown Structures
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Allen
diesen im Stand der Technik bekannten Ansätzen wohnt jedoch der Nachteil
inne, entweder eine Flächen-
oder zumindest eine Zeilenkamera zum Erfassen des von dem Objekt
reflektierten Abbildes zu benötigen
oder lediglich durch eine aufwendige Ansteuerung von Mikrospiegeln
mit mikromechanischen Elektromotoren eine Position des Abbildes detektieren
zu können,
um hieraus das dreidimensionale Oberflächenrelief zu erfassen. Außerdem weist die
Lösung
der aufwendigen Ansteuerung der Mikrospiegel den weiteren Nachteil
auf, dass diese Ansteuerung mechanisch empfindlich, platzaufwendig und
zusätzlich
kostenintensiv ist. Auch die Verwendung einer Flächen- bzw. Zeilenkamera erfordert
einen erheblichen Platzbedarf und ist zusätzlich kostenintensiv.
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Die
Druckschrift
DE 2810192
A1 offenbart ein Verfahren zur Überwachung der Abmessungen eines
Gegenstandes, insbesondere der Flanschbreite von Walzprofilen am
Auslauf eines Walzwerks, bei dem einerseits eine Strahlung mittels
eines beweglichen Deflektors auf den Gegenstand aufgebracht und
der die zu bestimmenden Abmessungen enthaltende Teil des Umrisses
des Gegenstandes abgetastet und andererseits das vom Gegenstand
zurückgeworfene
Bündel
mittels eines zweiten, ebenfalls beweglichen Deflektors in Richtung
auf mindestens einen Empfänger
geleitet wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass
die Deflektoren Drehbewegungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten
ausführen
und die Lage der beiden Punkte in der Relation zu einer der zu messenden
Dimensionen bestimmt wird, und dass die auf diese Punkte bezogene
Abmessung durch eine an sich bekannte Rechnung ermittelt wird.
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Die
DE 3315576 A1 offenbart
eine optische Einrichtung zum Messen von Profilen und insbesondere
von Schneidkanten von Werkzeugen, die einen Laser aufweist, dessen
Licht auf das zu bestimmende Profil fokussiert wird. Der auf diese
Weise erzeugte Lichtfleck wird mittels einer Abbildungsoptik auf eine
opto-elektronische Empfangseinrichtung abgebildet, an die eine elektronische
Auswerteeinrichtung zur Erzeugung eines von dem Licht des Lichtflecks auf
der opto-elektronischen
Empfangseinrichtung abhängigen
elektrischen Abstandssignals angeschlossen ist. In dem Strahlengang
des von dem Laser ausgesandten Lichts und dem der Abbildungsoptik
sind kipp- bzw. drehbare Spiegel angeordnet, die so gleichsinnig
und synchron bewegbar sind, z.B. Oszillieren, dass der Ort des Lichtflecks
auf dem zu messenden Profil wandert und dabei der Ort des Lichtflecks
auf der opto-elektronischen
Empfangseinrichtung in alle Ablenkstellungen des Laserstrahls auf
der opto-elektronischen Empfangseinrichtung liegt. Die Einrichtung
ermöglicht
eine einfache, schnelle und genaue Abtastung von feinen Profilen,
wie z.B. Schneidkanten von Werkzeugen, wobei sogar eine Bildschirmdarstellung
möglich
ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit
zu schaffen, um ein dreidimensionales Oberflächenrelief zu erfassen, wobei
diese Möglichkeit
gegenüber
dem Stand der Technik besser auflösend, kostengünstiger,
mechanisch robuster sowie platzsparender sein soll.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Scanner gemäß dem Anspruch 1 sowie ein
Verfahren zum Betreiben eines Scanners gemäß dem Anspruch 10 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung schafft einen Scanner zum Bereitstellen einer
Möglichkeit
zum Erfassen eines Oberflächenreliefs
eines Objektes mit folgenden Merkmalen:
einem Projektor, der
ausgebildet ist, um einen Lichtstrahl in einer Beleuchtungszeile über das
Oberflächenrelief
zu führen,
um eine beleuchtete Stelle auf dem Oberflächenrelief zu erhalten, wobei
der Projektor ferner ausgebildet ist, um ein Projektionssignal auszugeben,
aus dem eine Position des Lichtstrahls in der Beleuchtungszeile
ableitbar ist; und
einem Kollektor mit einem zu Schwingungen
in zwei Dimensionen anregbaren Kollektormikrospiegel und einem punktförmigen Lichtdetektor,
wobei der Kollektormikrospiegel derart in eine erste Richtung der
Beleuchtungszeile und in eine von der ersten Richtung verschiedene
zweite Richtung schwingbar angeordnet ist, dass eine Reflexion der
beleuchteten Stelle innerhalb eines Abtastbereiches des Kollektormikrospiegels
durch denselben auf den punktförmigen Lichtdetektor
abbildbar ist und wobei der Kollektor ausgebildet ist, um ein Detektionssignal
auszugeben, aus dem eine Position der beleuchteten Stelle in der ersten
und zweiten Richtung ableitbar ist.
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Ferner
schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines
Scanners zum Bereitstellen einer Möglichkeit zum Erfassen eines
Oberflächenreliefs
eines Objektes, wobei der Scanner
einen Projektor aufweist,
der ausgebildet ist, um einen Lichtstrahl in einer Beleuchtungszeile über das Oberflächenrelief
zu führen,
um eine beleuchtete Stelle auf dem Oberflächenrelief zu erhalten, wobei der
Projektor ferner ausgebildet ist, um ein Projektionssignal auszugeben,
aus dem eine Position des Lichtstrahls in der Beleuchtungszeile
ableitbar ist; und
einen Kollektor mit einem zu Schwingungen
in zwei Dimensionen anregbaren Kollektormikrospiegel und einem punktförmigen Lichtdetektor,
wobei der Kollektormikrospiegel derart in eine erste Richtung der
Beleuchtungszeile und in eine von der ersten Richtung verschiedene
zweite Richtung schwingbar angeordnet ist, dass eine Reflexion der
beleuchteten Stelle innerhalb eines Abtastbereiches des Kollektormikrospiegels
durch denselben auf den punktförmigen Lichtdetektor
abbildbar ist und wobei der Kollektor ausgebildet ist, um ein Detektionssignal
auszugeben, aus dem eine Position der beleuchteten Stelle in der ersten
und zweiten Richtung ableitbar ist,
wobei das Verfahren die
folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen und zeilenförmiges Führen des
Lichtstrahls in einer Beleuchtungszeile über das Oberflächenrelief
des Objektes, um eine beleuchtete Stelle auf dem Oberflächenrelief
zu erhalten, wobei das Führendes
Lichtstrahls zugleich ein Ermitteln einer Position des Lichtstrahls
in der Beleuchtungszeile und ein Ausgeben eines Projektionssignals
umfasst, aus dem die Position des Lichtstrahls in der Beleuchtungszeile
ableitbar ist; und
Detektieren einer Position der beleuchteten
Stelle unter Verwendung des zu Schwingungen in zwei Dimensionen
angeregten Kollektormikrospiegels und des punktförmigen Lichtdetektors, wobei
das Detektieren ein Abbilden einer Reflexion der beleuchteten Stelle
auf den Lichtdetektor durch den in die erste und zweite Richtung
schwingenden Kollektormikrospiegel umfasst und wobei das Detektieren
ferner ein Ausgeben eines Detektorsignals umfasst, aus dem die Position
der beleuchteten Stelle in der ersten und zweiten Richtung ableitbar
ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, durch den
Projektor das zu erfassende Oberflächenrelief zeilenförmig mit
einem Lichtstrahl in einer Beleuchtungszeile derart zu beleuchten, dass
ein Lichtpunkt zeilenförmig über das
Oberflächenrelief
geführt
wird. Durch den Kollektor mit dem in zwei Dimensionen zu Schwingungen
anregbaren Kollektormikrospiegel und dem punktförmigen Lichtdetektor ist es
nun möglich,
die Position des Lichtpunktes auf dem Oberflächenrelief in einer Richtung der
Beleuchtungszeile als auch in einer hierzu senkrecht angeordneten
Richtung in einer Referenzebene des Objektes zu erfassen, wobei
durch das veränderliche
Höhenprofil
des Oberflächenreliefs
die Reflexion des Lichtpunktes auf dem Oberflächenrelief nicht nur in Richtung
der Beleuchtungszeile, sondern auch in einer Richtung senkrecht
zur Beleuchtungszeile erfasst werden kann. Aus diesem Versatz des
Lichtpunktes gegenüber
einer durch die Beleuchtungszeile definierten Achse lässt sich
somit unter Kenntnis der Position des Lichtstrahles in der Beleuchtungszeile
das Höhenprofil
des Oberflächenreliefs
errechnen.
-
Vorteilhaft
kann durch diese Kenntnis der Position der Reflexion des Lichtpunktes
auf dem Oberflächenrelief
und einer Information über
eine Position des Lichtstrahles in der Beleuchtungszeile das Oberflächenrelief
eines Objektes erfasst werden und zugleich dieses Erfassen des Oberflächenreliefs
platzsparend, kostengünstig
und mechanisch robust ausgeführt
werden. Platzsparen lässt
sich der erfindungsgemäße Ansatz
insbesondere dadurch realisieren, dass nunmehr keine Flächenkamera
oder Zeilenkamera eingesetzt zu werden braucht, sondern durch den
zu Schwingungen anregbaren Kollektorspiegel in Verbindung mit dem
punktförmigen
Lichtdetektor eine sehr kompakte Bauweise des Kollektors möglich ist.
Als weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen Ansatzes lässt sich
ferner anführen,
dass nunmehr durch die Verwendung eines zu Schwingungen anregbaren
Kollektormikrospiegels keine aufwendige und somit kostenintensive
Ansteuerung des Kollektormikrospiegels notwendig ist, wie sie beispielsweise
durch kleine Elektromotoren möglich
wäre. Außerdem weist
der erfindungsgemäße Ansatz den
Vorteil auf, dass durch das Vermeiden der Flächen- bzw. Zeilenkamera eine
deutlich kostengünstigere
Detektionseinheit, beispielsweise in Form einer einzelnen Photodiode
verwendbar ist, wodurch sich die Herstellungskosten eines entsprechenden
Kollektors reduzieren lassen. Auch dadurch, dass nunmehr eine aufwendige
Ansteuerung mit beispielsweise mikromechanischen Elektromotoren
entfallen kann, wird eine deutlich mechanisch robustere Konstruktion
ermöglicht.
-
Einige
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 eine
Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung;
-
2 eine
schematische Darstellung der Abtastung eines Oberflächenbereiches
des Objektes;
-
3 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine Signalaufbereitung
in dem Kollektor;
-
4A eine
Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels
für eine
Blende des Kollektors;
-
4B ein
Diagramm zur Darstellung von empfangenen Signalen einer Photodiode
bei Verwendung der in 4A dargestellten Blende;
-
5 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
Blende für
den Projektor;
-
6A eine
Grundrissdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Scanners
un ter Verwendung der in 4A und 5 dargestellten
Blenden;
-
6B eine
Querschnittsdarstellung des weiteren Ausführungsbeispiels entsprechend
einem Schnitt an der Schnittlinie AA';
-
6C ein
Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Betreiben eines Scanners; und
-
7 eine
Prinzipdarstellung des Triangulationsprinzips eines herkömmlichen
Scanners.
-
In
den Figuren werden gleiche oder ähnliche Elemente
mit gleichen oder ähnlichen
Bezugszeichen versehen, wobei auf einer wiederholten Beschreibung
dieser Elemente verzichtet wird.
-
Das
erste Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Scanners
ist schematisch in 1 dargestellt. Hierbei umfasst
die 1 einen Projektor 10 mit einer Lichtquelle 12 und
einem Projektormikroscannerspiegel 14 und einem Kollektor 16 mit
einem Kollektormikrospiegel 14 und einem Photosensor 18.
Die beiden Mikrospiegel 14 des Projektors 10 und
des Kollektors 16 sind dabei in einer Entfernung voneinander
angeordnet, die als Triangulationsbasis dient. Über die Lichtquelle 12,
die vorzugsweise eine punktförmige
Lichtquelle ist, wird ein Lichtstrahl auf den Mikrospiegel 14 des
Projektors 10 gerichtet, wobei dieser den Lichtstrahl 20 auf
das Objekt 710 ablenkt, wodurch der Lichtpunkt bzw. die
beleuchtete Stelle 22 entsteht. Die beleuchtete Stelle 22 bildet nun
eine Reflexion 24, die von dem Mikrospiegel 14 des
Kollektors 16 auf dem vorzugsweise punktförmigen Lichtdetektor 18 abgebildet
wird, die beispielsweise eine Photodiode sein kann. Entsprechend kann
die Lichtquelle 12 eine LED (LED = Light Emitting Diode
= Lichtemittierende Diode) oder eine Laserdiode sein. Wird nun das
Objekt 71 bewegt, wie es beispielsweise durch die Bewegungsrichtungen 73 und 74 dargestellt
ist, verschiebt sich bei gleichbleibender Bestrahlung mit dem Lichtstrahl 20 die
Position der beleuchteten Stelle 22 beispielsweise zu der Position 22' wodurch sich
eine weitere Reflexion 24' ausbildet,
die gegenüber
der Reflexion 24 um einen Winkel 26 versetzt beim
Mikrospiegel 14 des Kollektors 16 auftrifft. Durch
eine zweidimensionale Schwingung des Mikrospiegels 14 des
Kollektors 16 kann nun ein gewisser Ausschnitt der Oberfläche bzw.
des Oberflächenreliefs
des Objektes 710 abgetastet werden, wodurch sich auch die
Verschiebung der Position der beleuchteten Stelle 22 zur
verschobenen beleuchteten Stelle 22' registrieren lässt und woraus dann auch in
einer in 1 nicht dargestellten Signalaufbereitungseinheit
das Oberflächenrelief des
Objektes 710 ermittelt werden kann.
-
Gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung können
somit Mikrospiegel unter Anwendung des bekannten Triangulationsverfahrens
als Scanner für
die 3D-Erfassung
von Objekten benutzt werden. Mikroscannerspiegel finden gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
sowohl zur Projektion einer strukturierten Beleuchtung auf das Objekt
als auch im Lichtempfänger
(d.h. dem Kollektor 16) zur Detektion des zurückgestreuten
Lichtes zur Anwendung.
-
Neu
ist insbesondere, dass für
die Bilderfassung im Kollektor ein punktförmiger Lichtdetektor 18 (oder
auch Lichtsensor) in Kombination mit einem zweidimensional schwingenden
Mikrospiegel verwendet wird, der über seine augenblickliche Auslenkunq
die jeweilige „Blickrichtung" des Detektors definiert.
Entsprechend der 1 können somit beispielsweise projektorseitig
punktförmige
Lichtquellen wie beispielsweise eine Laserdiode als auch kollektorseitig
punktförmige
Detektoren beispielsweise Photodioden verwendet werden. Hierbei
ist jedoch anzumerken, dass insbesondere die detektorseitige Kombination
eines schwingenden Mikrospiegels mit einem punktförmigen Lichtdetektor
besonders vorteilhaft ist, da sich durch die zweidimensionale Schwingung,
d.h. die Auslenkung des Spiegels in zwei Dimensionen zum Erfassen
eines Ausschnittes auf der Referenzebene, besonders kostengünstig, robustheitssteigernd
sowie platzsparend auswirkt, da insbesondere die zweidimensionale
Verkippung und entsprechende Ansteuerung von herkömmlichen
Mikroscannerspiegel aufwendig und somit kostenintensiv, mechanisch
störanfällig sowie
durch die Verwendung von entsprechenden Ansteuerelementen auch platzintensiv
ist. Demgegenüber
ist die Ausgestaltung des Projektors mit einer punktförmigen Lichtquelle
und einem entsprechend eindimensional schwingbaren Mikroscannerspiegel
lediglich eine bevorzugte Ausführungsform,
jedoch nicht zwingend für die
gewünschten
Vorteile notwendig, da eine eindimensionale Ansteuerung nicht derart
aufwendig wie eine zweidimensional Ansteuerung ist. Mit anderen Worten
ausgedrückt,
ist zum Erreichen der gewünschten
Vorteile erfindungsgemäß nicht
notwendigerweise ein eindimensional zu Schwingungen anregbarer Mikrospiegel
im Projektor erforderlich, vielmehr kann der Projektor auch anders
aufgebaut sein, um einen Lichtstrahl in einer Beleuchtungszeile über das
Oberflächenrelief
zu führen.
In den nachfolgenden Ausführungen
wird jedoch aus Gründen
der Anschaulichkeit ohne Beschränkung
der Allgemeinheit ein Ausführungsbeispiel
konkret beschrieben, welches ebenfalls einen Mikroscannerspiegel
in dem Projektor verwendet. Durch die vorstehend beschriebenen Vorzüge wird
es nunmehr möglich,
einen 3D-Scanner preisgünstig
und in kompakter Bauweise zu realisieren.
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Um
das Oberflächenrelief
des zu scannenden Objektes zu erfassen, wird ferner eine Vorgehensweise
verwendet werden, wie sie nachstehend näher erläutert ist. Bei der Verwendung
von Mikrospiegeln beispielsweise zur Beleuchtung des Objektes als
auch zur Detektion des rückgestreuten
Lichtes, ist prinzipiell zu beachten, dass jeder der schwingenden
Spiegel zu jedem Zeitpunkt auf nur genau einen Punkt (Spot) des
Objektes gerichtet ist. Daher sollten vorzugsweise beide Spiegel
derart angesteuert werden, dass der Detektor den vom Projektor erzeugten
Spot auf dem Oberflächenrelief
des Objektes erfassen kann.
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Um
diesen erzeugten Spot (d.h. die belichtete Stelle, die in 1 mit
dem Bezugszeichen 22 bzw. 22' gekennzeichnet ist) zu erfassen,
kann das nachstehende Verfahren zur Ansteuerung der Mikroscannerspiegel
eingesetzt werden, wie es unter Zuhilfenahme der 2 beschrieben
ist. Anzumerken ist hierbei, dass die Ausführungsform des Projektors mit
einem Mikroscannerspiegel eine bevorzugte Ausführungsform darstellt, wobei
jedoch auch ein Projektor eingesetzt werden kann, bei dem ein anders
ausgestaltetes zeilenförmiges
Beleuchten des Oberflächenreliefs
des Objektes möglich
ist. Das nachstehende Verfahren soll jedoch unter Verwendung eines
Mikroscannerspiegels näher
beschrieben werden.
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Die 2 zeigt
einen Projektor 10 zum zeilenweisen Beleuchten eines Ausschnittes 30 des Oberflächenreliefs
des zu scannenden Objektes. Hierbei wird der Lichtstrahl 20 entlang
des Auslenkungswinkels 32 derart über den Ausschnitt 30 des Oberflächenreliefs
geführt,
dass der Lichtstrahl 20 in einer Beleuchtungszeile 34 das
Oberflächenrelief
beleuchtet. Durch das Höhenprofil
ergibt sich beim Beleuchten des Oberflächenreliefs in dem Ausschnitt 30 eine
Spur 36 der Lichtpunkte 22 und 22', deren horizontale
Auslenkung durch den Kollektor 16 ermittelt werden kann.
Mit anderen Worten ausgedrückt,
kann der Lichtstrahl 20 in er y-Richtung eines in 2 dargestellten
Koordinatensystems 38 in der Beleuchtungszeile 34 über das
Oberflächenrelief
geführt
werden, wobei ein Höhenprofil
in z-Richtung zu einer Auslenkung der Lichtpunkte 22 in
x-Richtung führt. Diese
Auslenkung kann durch den Kollektor 16 dadurch erkannt
werden, dass die Mikrospiegel in einer zweidimensionalen Schwingung
derart angeregt werden, dass sich eine Abrasterung des Ausschnittes 30 in
Form einer Lissajous-Figur 40 ergibt, wie sie in 2 dargestellt
ist. Diese zweidimensionale Auslenkung resultiert somit in einem
Verschwenken desjenigen Punktes des Ausschnittes 30, der
durch den (in
-
2 nicht
dargestellten Mikrospiegel des Kollektors 16) auf den punktförmigen Lichtdetektor gebildet
wird.
-
Das
Prinzip der Abtastung mit vorzugsweise zwei Spiegeln parallel zur
Triangulationsebene gesehen, lässt
sich somit folgendermaßen
darstellen, wobei unter dem Begriff „Triangulationsebene" die durch die Mittelpunkte
des Bildfeldes in der Referenzebene und beider Spiegel bzw. durch
den Triangulationswinkel definierte Ebene gemeint ist:
- 1. Der Spiegel des Projektors wird in nur einer, hier der vertikalen
Schwingungsrichtung y ausgelenkt, so dass der Spot 22 eine
virtuelle Linie (vertikaler Pfeil bzw. Beleuchtungszeile 34)
auf der Referenzebene beschreibt.
- 2. Der Spiegel des Kollektors wird nun derart angeregt, dass
auch er in dieser Richtung, vorzugsweise synchron zum Projektor
schwingt, d.h. die augenblickliche Höhenposition des projizierten Spots
auf der oben genanten Linie „gesehen" wird. Hierfür sollte
eine möglichst
genaue Übereinstimmung
der beiden y-Schwingungen
des Mikrospiegels des Projektors sowie des Mikrospiegels des Kollektors
in Frequenz, Amplitude und Phase erreicht werden.
- 3. Die virtuelle Linie, d.h. die Beleuchtungszeile 34,
wird durch das Oberflächenprofil
bzw. das Oberflächenrelief
des Objektes in z-Richtung zu einer Kurve 36 verzerrt,
die in 2 als weiße Spur
sichtbar ist. Dies bewirkt nach dem Triangulationsprinzip auch eine
Auslenkung des Spots 22 bzw. 22' in x-Richtung, die detektiert
werden kann, indem der Kollektor Mikrospiegel gleichzeitig in horizontale
Schwingungen versetzt wird. Wenn hierbei y-Schwingungen beider Spiegel
weiter synchron laufen, sollte die gesuchte Spotposition bei der
Abtastung in x-Richtung gefunden werden, so weit sie innerhalb des
durch die horizontale Amplitude bestimmten Empfangsbereiches liegt.
- 4. Wegen einer Überlagerung
von x- und y-Schwingung beschreibt die „Blickrichtung" des Kollektormikrospiegels
auf den punktförmigen Lichtdetektor
eine Lissajous-Figur, deren Gestalt von dem Verhältnis der Schwingungsfrequenzen in
x- und y-Richtung und deren Phasenbeziehung abhängt. Die Ausdehnung der Lissajous-Figur 40 steht
dabei im Zusammenhang mit den Schwingungsamplituden in x- und y-Richtung.
Für eine Erfassung
der Objektdetails ist eine möglichst große Liniendichte
in der Lissajous-Figur 40 anzustreben. Um eine derartige
Liniendichte der resultierenden Lissajous-Figur 40 zu erreichen,
kann auch weiterhin eine Ansteuerung der Spiegelschwingung in x-
und y-Richtung erreicht werden, derart, dass beispielsweise mittels
einer digitalen Steuerung ein Verhältnis der Schwingungs-Amplituden,
der Schwingungs-Phasen und der Schwingungs-Frequenzen über diese
Spiegelansteuerung beeinflussbar ist.
- 5. Hat das Oberflächenrelief
des Objektes die Eigenschaft einer diffusen Reflexion des Projektor-Spots,
verteilt sich die Lichtleistung entsprechend dem Lambertschen Gesetz über den
gesamten Raumwinkel vor der reflektierenden Fläche. Für einen kleinflächigen Detektor
wie den punktförmigen
Lichtdetektor 18 in 1, steht
damit prinzipbedingt lediglich diejenige Strahlungsleistung zur
Verfügung,
die diesen direkt trifft. Bei einer Leistung des eingestrahlten
Lichtstrahles 20 von einigen Milliwatt, wie er in den 1 oder 2 dargestellt
ist, liegt die rückgestreute
Leistung in der Größenordnung
von Nanowatt je mm2. Deshalb sollte vorzugsweise
ein hochempfindlicher Photosensor verwendet werden, der ein an dem
Lichtdetektor empfangenes analoges Ausgangssignal rauscharm aufbereitet
und verstärkt. Für eine derartige
Aufgabe kann beispielsweise eine elektronische Schaltung verwendet
werden, wie sie in 3 näher dargestellt ist.
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Die 3 zeigt
eine Schaltungsanordnung zum Aufbereiten eines sehr schwachen Lichtsignals, die
zunächst
eine Vorspannungserzeugungseinheit 32 aufweist, die eine
Spannung von beispielsweise etwa 200 Volt bereitstellt. Diese Vorspannung
wird dann an eine Lawinenphotodiode APD weitergeleitet, die wiederum
mit einer Parallelschaltung eines Widerstandes 52 und eines
Verstärkers 54 verbunden ist.
Die Parallelschaltung aus dem Widerstand 52 und dem Verstärker 54,
der beispielsweise als Operationsverstärker mit dem Typ OPA657 ausgelegt
ist, wird als Transimpedanzverstärker 56 bezeichnet. Dieser
Transimpedanzverstärker 56 ist
dann ferner mit einem ersten Tiefpass 58 gekoppelt, der
wiederum mit einem Spannungsverstärker 60, beispielsweise
einem Operationsverstärker
des Typs OPA656, verbunden ist. An den Spannungsverstärker 60 ist ein
weiterer Tiefpass 62 geschaltet, der nicht notwendigerweise
die identische Charakteristik wie der Tiefpass zwischen dem Transimpedanzverstärker 56 und
dem Spannungsverstärker 60 aufweist.
Schließlich
ist nach dem weitere Tiefpass 62 ein Analog-Digital-Wandler mit beispielsweise
einer Auflösung
von 12 Bit und einer maximalen Taktfrequenz von 20 MHz verschaltet,
so dass aus dem schwachen Lichtsignal 66 ein verstärktes ein
digitalisiertes Ausgangssignal 68 bereitgestellt werden
kann, das aus einem digitalen Strom von Abtastwerten des Sensorsignals
besteht. Aus diesem Datenstrom lassen sich die Positionen der beleuchteten
Stellen 22 bzw. 22' detektieren
und durch Korrelation mit den zugehörigen Spiegelstellungen Objektkoordinaten
in dreidimensionaler Form, d.h. das Oberflächenrelief des Objektes bestimmen.
- 6. Um die y-Schwingungen beider Spiegel, d.h. des
Mikroscannerspiegels des Projektors als auch des Mikroscan nerspiegels
des Detektors exakt zu synchronisieren, kann der Scanner weiter um
Messanordnungen für
die Amplituden, Phasen und Frequenzen jeweils der Schwingung des Mikrospiegels
des Projektors oder des Mikrospiegels des Kollektors ergänzt werden.
Hierfür
kann beispielsweise am Kollektor eine rahmenartige, mit Leuchtdioden
versehene Blende 70 verwendet werden, wie sie in 4A dargestellt
ist. Hierbei weist die rahmenartige Blende 70 des Kollektors 16 an
der dem Mikroscannerspiegel 14 des Kollektors zugewandten
Seite eine oder mehrere Leuchtdioden 72 auf, die an einem
Rand einer inneren Öffnung 74 der
Blende 70 angeordnet sind. Gemäß der Darstellung in 4A ist
an jedem der vier Innenseiten der Öffnung 74 der Blende 70 je
eine Leuchtdiode 72 angeordnet, wobei diese eine Leuchtdiode 72 auch
in Form einer Leuchtdiodenzeile entlang der kompletten Innenseite
des entsprechenden Öffnungsabschnittes
ausgebildet sein kann. Auch kann jeweils nur an zwei gegenüberliegenden
Seiten eine Leuchtdiode oder eine Leuchtdiodenzeile an dem Rand
der Öffnung 74 ausgebildet
sein.
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Die
Funktionsweise einer derartigen Blende 70 ist in 4B näher dargestellt.
Hierzu wird zunächst
in einem oberen Teildiagramm der 4B der Verlauf 76 von
abgetasteten Stellen in x- und y-Koordinaten über die Zeit dargestellt. Hierzu
ist anzumerken, dass für
die prinzipielle Funktionsweise lediglich das Abtasten in eine Richtung
(d.h. die x-Richtung oder die y-Richtung)
dargestellt zu werden braucht, da die Abtastung in die entsprechende
andere Richtung analog ausgeführt
wird. Wird nun durch den Mikroscannerspiegel 14 ein Detektionspunkt
innerhalb der in 4B dargestellten Öffnung 74 abgetastet, bewegt
sich die Kurve 76 innerhalb des Öffnungsbereiches 78.
Bildet nun der Mikroscannerspiegel 14 einen Ort auf dem
Blendenrahmen 70 auf den Photodetektor APD ab, überstreicht
er bei Ausbildung der Photodioden 72 an den Rändern der Öff nung 74 diese
Photodioden 72, wodurch ein entsprechendes Lichtsignal
bzw. eine entsprechend erhöhte
Intensität des
Lichtdetektorsignals am Lichtdetektor APD erfassbar ist. Dies ist
aus dem unteren Teildiagramm der 4B anhand
der Begrenzungssignale 80 ersichtlich, wenn die Leuchtdioden 72 an
den Leuchtdiodenkoordinaten 82 angeordnet sind, wie sie
im oberen Teildiagramm der 4B dargestellt
sind. Wird nun ein Lichtsignal innerhalb des Abtastbereiches, d.h.
innerhalb der Öffnung 74 detektiert,
wie es im oberen Teildiagramm der 4B an
der Koordinate 84 der Fall ist, resultiert dies in weiteren
Lichtsignalen 86, wie sie im unteren Teildiagramm der 4B dargestellt
sind. Insbesondere durch die zeitliche Lage der Begrenzungssignale 80,
die durch die Referenzlichtquellen 72 bzw. die LEDs verursacht
werden, ist dann sowohl auf eine Frequenz und eine Phase und bei
bekannten Dimensionen der Öffnung 74 auch
auf eine Amplitude der Schwingung des Mikroscannerspiegels 14 zu
schließen,
ohne dass der Mikroscannerspiegel selbst durch ein definiertes Phasen-,
Amplituden- oder Frequenzsignal entsprechend angesteuert zu werden
braucht. Hierdurch ist eine sehr einfache Erkennung der Schwingung
des Mikroscannerspiegels 14 möglich.
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Analog
kann auch die eindimensionale Schwingung des Mikroscannerspiegels 14 des
Projektors 10, so wie er in 1 abgebildet
ist, durch eine entsprechende Blende erfasst werden, wie dies beispielsweise
in 5 dargestellt ist. Hierzu werden jedoch lichtaussendende
und lichtdetektierende Elemente entsprechend vertauscht, so dass
an einem Innenrand der entsprechenden Blende 90 Photodioden 92 bzw.
andere entsprechende geeignete Lichtdetektoren angeordnet werden,
die ein Auftreffen des Lichtstrahles 20 von der Lichtquelle 12 (beispielsweise
eines Laserstrahles von einer Laserdiode) empfangen und analog der 4B auswerten,
um eine Schwingungsamplitude, eine Schwin gungsfrequenz und eine
Schwingungsphase des Mikroscannerspiegels 14 des Projektors 10 zu
erfassen. Die konkrete Ausgestaltung der Blende des Projektors kann
dabei analog zu der Blende des Kollektors aufgebaut sein.
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6A zeigt
eine Grundrissdarstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Scanners
unter Verwendung je einer Blende für den Projektor als auch den
Kollektor.
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Am
Kollektor wird hierfür
eine rahmenartige, mit Leuchtdioden besetzte Blende nach 4A,
deren Seiten einzeln steuerbar und/oder bezüglich ihrer Helligkeit veränderbar
sind und die das Gesichtfeld des Kollektors begrenzen, verwendet.
Passiert diese Lissajous-Figur eine eingeschaltete Leuchtdiode,
so entsteht ein Sensorsignal (d.h. Begrenzungssignal), aus dem bei
bekannter Lage der Leuchtdioden die Amplitude und Phasenlage der
Schwingung des Kollektorspiegels berechnet werden kann. Ferner kann auch
beispielsweise durch die Ausgestaltung von unterschiedlichen Farben
der entsprechenden Leuchtdioden gegenüber einer Lichtfarbe einer
zu erfassenden Reflexion einer beleuchteten Stelle bzw. einer unterschiedlich
starken Ansteuerung und somit einer unterschiedlich starken Helligkeit
weiterhin ein Vorteil erreicht werden, da hierdurch auch eine Spotposition in
unmittelbarer Nähe
der Öffnung 74 eindeutig
und zweifelsfrei erkannt werden kann. Auch kann beispielsweise durch
ein Ein- bzw. Ausschalten von Leuchtdioden (oder Leuchtdiodenzeilen)
an den jeweiligen Blendenrändern
eine Phase der Schwingung erkannt werden. Auch lässt sich, wenn mehrere Leuchtdiode
(oder andere Lichtquellen wie beispielsweise Laserdioden oder Lichtleiterenden)
pro Blendenrandseite verwendet werden, durch eine unterschiedlich
eingestellte Helligkeit der einzelnen Leuchtdioden bzw. der weiteren
Lichtquellen an dem jeweiligen Blendenrand eine exakte Positionsbestimmung
durchführen.
Außerdem
können
auch sich zwei sich gegenüberliegende
Lichtquellen durch eine unterschiedliche Helligkeit oder Wellenlänge des ausge strahlten
Lichtes unterscheiden und hierdurch eine genaue Phasenbestimmung
einer Bewegung bzw. Schwingung des „Abtaststrahles" bestimmt werden.
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Am
Projektor ist eine ähnliche
Blende angebracht, die jedoch anstelle der Leuchtdioden zwei gegenüberliegende
Photodioden trägt,
die bei Beleuchtung durch den Spot ein Signal liefern, welches zur Berechnung
von Amplitude und Phase der y-Schwingung des Projektormikrospiegels
dient und gleichzeitig die Auslenkung des Spots begrenzt.
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Die 6A zeigt
somit eine Lichtquelle 12, die einen Lichtstrahl senkrecht
zur Zeichenebene ausgeben kann, der durch den Mikroscannerspiegel 14 des
Projektors 10 auf die Blende 90 projiziert wird und
nachfolgend auf das durch einen Motortreiber 100 und eine
Motor 102 drehbare Objekt 710 projiziert wird.
Dies resultiert in einem Lichtfleck 22, dessen Reflexion 24 durch
die Blende 70 des Kollektors, den Mikroscannerspiegel 14 sowie
den unter dem Mikroscannerspiegel 14 angeordneten Lichtdetektor APD
projiziert wird. Hierbei kann der Motortreiber 100 durch
den Scanner mit dem Projektor 10 und dem Kollektor 16 derart
angesteuert werden, dass ein Oberflächenrelief des Objektes 710 vollständig erkannt
werden kann.
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Die 6B zeigt
eine Querschnittsdarstellung entlang einer in 6A dargestellten
Schnittlinie zwischen den Punkten A und A'. Hierbei ist ein Gehäuse 104 dargestellt,
das den Scanner umgibt. Innerhalb des Gehäuses 104 ist eine
Leiterplatte 106 angeordnet, an der die Lichtquelle 12,
beispielsweise die Laserdiode befestigt ist. Die Lichtquelle 12 gibt
einen Lichtstrahl 20 aus, der an dem Mikroscannerspiegel 14 reflektiert
wird. Ferner ist in 6B eine Anregungseinheit 108 für den Mikroscannerspiegel 14 dargestellt,
die den Mikroscannerspiegel 14 entsprechend zu einer eindimensionalen
Schwingung anregt.
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6C zeigt
ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Betreiben eines Scanners. In einem ersten Schritt 110 erfolgt
hierbei ein Bereitstellen eines Lichtstrahles, ein Führen des Lichtstrahles über das
Oberflächenrelief
und einer Mitte einer Position des Lichtstrahles in einer Beleuchtungszeile,
in der der Lichtstrahl über
das Oberflächenrelief
geführt
wird.
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In
einem zweiten Schritt 112 erfolgt ein Ausgeben eines Projektionssignals,
aus dem die Position des Lichtstrahles in der Beleuchtungszeile
ableitbar ist.
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Hieran
anschließend
erfolgt in einem dritten Schritt 114 ein Detektieren einer
beleuchteten Stelle des Oberflächenreliefs
unter Verwendung eines zu Schwingungen angeregten Mikrospiegels
in dem Kollektor.
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In
einem vierten Schritt 116 erfolgt ein Ausgeben eines Detektionssignals,
aus dem eine Position der beleuchteten Stelle auf dem Oberflächenrelief ableitbar
ist. In einem abschließenden
Schritt 118 des Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt ein Aufbereiten des Projektionssignals und des Detektionssignals,
um hieraus das Oberflächenrelief
zu erfassen.
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Zusammenfassend
ist somit zu sagen, dass ein neuartiger 3D-Scanner hierin offenbar ist, der aus einem
Projektor (mit vorzugsweise einer punktförmigen Lichtquelle und einem
Mikroscannerspiegel) sowie einem Kollektor ausgestattet ist, wobei
der Kollektor einen Mikroscannerspiegel und einen punktförmigen Lichtdetektor
umfasst, auf dem durch den Mikroscannerspiegel eine Reflexion eines
Lichtpunktes von einem Oberflächenrelief
eines zu erfassenden Objektes projiziert werden kann. Ferner kann
eine entsprechende elektronische Schaltung mit einer Schnittstelle
zu einem Host-Computer
zur Steuerung und zur Weiterverarbeitung der gewonnenen Daten bereitgestellt
werden. Weiterhin ist hier ein Verfahren zur Anregung der beiden
Mikroscannerspiegel des 3D-Scanners offenbart, derart, dass der
vom Projektormikroscannerspiegel erzeugte Spot über den Kollektormikroscannerspiegel
und den Lichtdetektor in dem Detektionsbereich tatsächlich gefunden
werden kann, in dem der Projektorspiegel nur in einer Richtung senkrecht
zur Triangulationsebene mit einer definierten Frequenz und Amplitude
schwingt, der Kollektormikrospiegel hierzu vorzugsweise synchron und
mit gleicher Amplitude vorzugsweise ebenfalls senkrecht zur Triangulationsebene
angeregt wird und der Kollektorspiegel außerdem gleichzeitig eine zweite
Schwingung in der Triangulationsebene ausführt, um die durch das Messprinzip
bedingte Auslenkung des Spots zu erfassen.
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Weiterhin
ist hier eine Vorrichtung beispielsweise für den 3D-Scanner offenbart,
die vorzugsweise eine Synchronisation der Schwingungen beider Spiegel
in der zur Triangulationsebene senkrechten Richtung gemäß dem Anregungsverfahren
ermöglicht,
bestehend aus einer Blende mit Photodioden im Strahlengang des Projektors
und/oder einer analogen ausgebildeten, jedoch mit Leuchtdioden versehenen
Blende im Strahlengang des Kollektors, durch die jeweils Signale über die
augenblicklichen Amplituden und Phasen einer oder beider Schwingungen der
Mikroscannerspiegel gewonnen werden kann. Ferner ist eine elektronische
Schaltung offenbart, die regelnd in die Ansteuerung der Spiegel
eingreifen kann, um beispielsweise eine Aussteuerung der Frequenz,
Phase oder Amplitude einer Anregung eines Mikrospiegels zu beeinflussen,
um beispielsweise eine Liniendichte der Lissajous-Figur zu erhöhen und hierdurch
eine Wahrscheinlichkeit für
das Auffinden der Reflexion des Lichtpunktes zu erhöhen.
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Die
hierin beschriebene Erfindung weist daher den Vorteil auf, ohne
Flächen-
oder Zeilenkamera arbeiten zu können,
so dass keine flächen-
oder linienhaften Bildsensoren und keine entsprechende zugehörige aufwendige
Abbildungsoptik benötigt
wird. Ferner ist ein Mikroscannerspiegel klein, mechanisch robust
und preisgünstig
herstellbar, wodurch sich die zentralen Vorteile der vorliegenden
Erfindung in einer Reduktion des Platzbedarfes und der Herstellungskosten
sowie einer Erhöhung
der mechanischen Robustheit darstellt. Durch die beschriebene Schaltung zur
Aufbereitung eines schwachen Lichtsignals ist ferner eine Erhöhung des
Auflösungsvermögens möglich. Hierdurch
lässt sich
der beschriebene 3D-Scanner weiterhin räumlich sehr kompakt aufbauen.
Die erforderliche Signalverarbeitung z.B. die Detektion des Laserspots
im Sensordatenstrom, kann zumindest teilweise in Hardware realisiert
und beispielsweise in den Scanner integriert werden, wodurch sich
der entsprechende Rechenaufwand zur Verarbeitung der gewonnenen
Daten an einem steuernden Host-Rechner erheblich verringern lässt und somit
die Erfassung des Oberflächenreliefs
des entsprechenden Objekts deutlich beschleunigt sowie die Komplexität entsprechender
im Host-Rechner durchzuführender
Algorithmen möglich
wird. Somit sind keine Bildverarbeitungsoperationen zur Extraktion
interessierender Bereiche aus einem 2D-Bild mehr erforderlich.
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Abhängig von
den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben
eines Scanners in Hardware oder in Software implementiert werden.
Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere
einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen
erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken
können,
dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht
die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit einem
auf einem maschinenlesbaren Träger
gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner abläuft. Mit
anderen Worten ausgedrückt,
kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode
zur Durchführung
des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogramm auf
einem Computer abläuft.