Gelenkarm-koordinatenmessgerät mit einer 2d-kamera und verfahren zum erhalten von 3d-darstellungen

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung mit der Nummer 14/485876, eingereicht am 15. September 2014, deren Inhalt hier bezugnehmend in seiner Gesamtheit einbezogen ist.

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Koordinatenmessgerät und insbesondere ein tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät mit einem Verbindungsstück auf einem Sondenende des Koordinatenmessgeräts, welches das abnehmbare Verbinden zusätzlicher Vorrichtungen, welche ein Streifenlicht für eine berührungslose dreidimensionale Messung verwenden, mit dem Koordinatenmessgerät ermöglicht.

Tragbare Gelenkarm-Koordinatenmessgeräte (Gelenkarm-KMGs) haben bei der Herstellung oder Produktion von Teilen, wobei die Abmessungen des Teils während verschiedener Phasen der Herstellung oder Produktion (z. B. Bearbeitung) des Teils schnell und präzise geprüft werden müssen, verbreitet Anwendung gefunden. Tragbare Gelenkarm-KMGs stellen eine starke Verbesserung gegenüber bekannten ortsfesten oder befestigten, kostspieligen und relativ schwierig zu verwendenden Messeinrichtungen dar, insbesondere in Bezug auf den Zeitaufwand, der für die Durchführung der Größenmessungen von relativ komplexen Teilen erforderlich ist. Normalerweise führt ein Benutzer eines tragbaren Gelenkarm-KMGs einfach eine Sonde entlang der Oberfläche des zu messenden Teils oder Objekts. Die Messdaten werden dann aufgezeichnet und dem Benutzer zur Verfügung gestellt. In einigen Fällen werden die Daten dem Bediener in optischer Form zur Verfügung gestellt, beispielsweise in dreidimensionaler(3D-)Form auf einem Computerbildschirm. In anderen Fällen werden dem Benutzer die Daten in numerischer Form zur Verfügung gestellt, beispielsweise, wenn bei der Messung des Durchmessers eines Lochs der Text „Durchmesser = 1,0034“ auf einem Computerbildschirm angezeigt wird.

Ein Beispiel für ein tragbares Gelenkarm-KMG des Stands der Technik ist in dem US5402582US-Patent Nr. 5,402,582 ('582) des gleichen Inhabers offenbart, welches hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit einbezogen ist. Das Patent ’582 offenbart ein 3D-Messsystem, das ein manuell bedientes Gelenkarm-KMG mit einem Tragunterteil an einem Ende und einer Messsonde am anderen Ende umfasst. Das US5611147US-Patent Nr. 5,611,147 (’147) des gleichen Inhabers, welches hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit einbezogen ist, offenbart ein ähnliches Gelenkarm-KMG. In dem Patent ’147 umfasst das Gelenkarm-KMG mehrere Merkmale einschließlich einer zusätzlichen Drehachse am Sondenende, wodurch für einen Arm eine Konfiguration mit entweder zwei-zwei-zwei oder zwei-zwei-drei Achsen bereitgestellt wird (wobei Letztere ein Arm mit sieben Achsen ist).

Dreidimensionale Oberflächen können auch unter Verwendung von berührungslosen Techniken gemessen werden. Eine Art von berührungsloser Vorrichtung, die manchmal als eine Laserliniensonde oder ein Laserlinienscanner bezeichnet wird, strahlt ein Laserlicht entweder auf einen Punkt oder entlang einer Linie aus. Eine Bildgebungsvorrichtung, wie zum Beispiel eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (Charge-Coupled Device, CCD), wird neben den Laser positioniert. Der Laser wird so angeordnet, dass eine Lichtlinie ausgestrahlt wird, die von der Oberfläche reflektiert wird. Die Oberfläche des gemessenen Objekts verursacht eine diffuse Reflexion, die von der Bildgebungsvorrichtung erfasst wird. Das Bild der reflektierten Linie auf dem Sensor ändert sich in dem Maße, wie sich der Abstand zwischen dem Sensor und der Oberfläche verändert. Durch Kenntnis der Beziehung zwischen dem Bildgebungssensor und dem Laser und der Position des Laserbildes auf dem Sensor können Triangulationsverfahren verwendet werden, um dreidimensionale Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche zu messen. Ein Problem, welches sich bei Laserliniensonden ergibt, besteht darin, dass sich die Dichte von gemessenen Punkten abhängig von der Geschwindigkeit, mit der die Laserliniensonde über die Oberfläche des Objekts bewegt wird, ändern kann. Je schneller die Laserliniensonde bewegt wird, desto größer wird der Abstand zwischen den Punkten und die Punktedichte geringer. Bei einem Streifenlichtscanner ist der Punktabstand typischerweise in jeder der beiden Dimensionen einheitlich, wodurch im Allgemeinen eine gleichmäßige Messung von Oberflächenpunkten auf dem Werkstück bereitgestellt wird. Ein weiteres Problem, welches bei dem Erhalten von 3D-Darstellungen aus Abtastdaten auftritt, besteht darin, dass es häufig einen verschwommenen Bereich um Kanten oder Löcher gibt.

Obwohl bestehende KMGs für ihre beabsichtigten Zwecke geeignet sind, besteht Bedarf an einem tragbaren Gelenkarm-KMG mit gewissen Merkmalen von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein tragbares Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) zum Messen von dreidimensionalen(3D-)Koordinaten eines Objekts im Raum vorgesehen, aufweisend ein Unterteil; einen manuell positionierbaren Armabschnitt mit einem ersten und einem entgegengesetzten zweiten Ende, wobei der Armabschnitt drehbar an das Unterteil gekoppelt ist, wobei der Armabschnitt eine Vielzahl von verbundenen Armsegmenten umfasst, wobei jedes Armsegment mindestens ein Wegmesssystem zur Erzeugung eines Positionssignals umfasst; einen Prozessor; eine elektronische Schaltung, die das Positionssignal von dem mindestens einen Wegmesssystem in jedem Armsegment empfängt, wobei die elektronische Schaltung dafür ausgelegt ist, in Reaktion auf das Positionssignal ein erstes elektrisches Signal an den Prozessor zu senden; ein an das erste Ende gekoppeltes Sondenende; eine an das Sondenende gekoppelte berührungslose 3D-Messvorrichtung, wobei die berührungslose 3D-Messvorrichtung einen Projektor und eine Scannerkamera aufweist, wobei der Projektor dafür ausgelegt ist, ein erstes Lichtmuster auf das Objekt auszustrahlen, wobei die Scannerkamera so angeordnet ist, dass sie das von dem Objekt reflektierte erste Lichtmuster empfängt und in Reaktion darauf ein zweites elektrisches Signal an den Prozessor sendet; eine Kanten erkennende Kamera, die an das Sondenende gekoppelt ist, wobei die Kanten erkennende Kamera eine von der Scannerkamera und einer zweiten Kamera ist, die sich von der Scannerkamera unterscheidet, wobei die Kanten erkennende Kamera so positioniert ist, dass sie im Betrieb ein von einem Kantenmerkmal des Objekts reflektiertes zweites Licht empfängt und in Reaktion darauf ein drittes elektrisches Signal an den Prozessor sendet; und wobei der Prozessor dafür ausgelegt ist, erste 3D-Koordinaten von ersten Punkten auf einer Oberfläche des Objekts zumindest teilweise basierend auf dem ersten Lichtmuster von dem Projektor, dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal zu bestimmen, wobei der Prozessor ferner dafür ausgelegt ist, einen ersten Strahl von der Kanten erkennenden Kamera zum Objekt zu bestimmen, wobei der erste Strahl zumindest teilweise auf dem ersten elektrischen Signal und dem dritten elektrischen Signal basiert, wobei der Prozessor ferner dafür ausgelegt ist, zweite 3D-Koordinaten eines Kantenpunktes des Kantenmerkmals zu bestimmen, wobei die zweiten 3D-Koordinaten zumindest teilweise auf einem Schnittpunkt des ersten Strahls mit den ersten 3D-Koordinaten der erste Oberfläche basieren.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Messen eines Kantenpunkts mit einem tragbaren Gelenkarm-Koordinatenmessgerät (Gelenkarm-KMG) das Bereitstellen des Gelenkarm-KMGs, wobei das Gelenkarm-KMG aufweist: ein Unterteil, einen manuell positionierbaren Armabschnitt mit einem ersten und einem entgegengesetzten zweiten Ende, wobei der Armabschnitt drehbar an das Unterteil gekoppelt ist, wobei der Armabschnitt eine Vielzahl von verbundenen Armsegmenten umfasst, wobei jedes Armsegment mindestens ein Wegmesssystem zur Erzeugung eines Positionssignals umfasst, einen Prozessor, eine elektronische Schaltung, ein an das erste Ende gekoppeltes Sondenende, eine an das Sondenende gekoppelte berührungslose 3D-Messvorrichtung, wobei die berührungslose 3D-Messvorrichtung einen Projektor und eine Scannerkamera aufweist, wobei das Gelenkarm-KMG ferner eine an das Sondenende gekoppelte Kanten erkennende Kamera aufweist, wobei die Kanten erkennende Kamera eine von der Scannerkamera und einer zweiten Kamera ist, die sich von der Scannerkamera unterscheidet; das Empfangen, durch die elektronische Schaltung, des Positionssignals von dem mindestens einen Wegmesssystem in jedem Armsegment; das Senden, von der elektronischen Schaltung, eines ersten elektrischen Signals an den Prozessor in Reaktion auf das Positionssignal; das Ausstrahlen, von dem Projektor, eines ersten Lichtmusters auf das Objekt; das Empfangen, mit der Scannerkamera, des ersten von dem Objekt reflektierten Lichtmusters und das Senden eines zweiten elektrischen Signals an den Prozessor in Reaktion darauf; das Empfangen, mit der Kanten erkennenden Kamera, eines zweiten von einem Kantenmerkmal des Objekts reflektierten Lichts und das Senden eines dritten elektrischen Signals an den Prozessor in Reaktion darauf, wobei das Kantenmerkmal einen Kantenpunkt aufweist, wobei der Kantenpunkt ein Punkt auf dem Kantenmerkmal ist; das Bestimmen, mit dem Prozessor, von ersten 3D-Koordinaten von ersten Punkten auf einer Oberfläche des Objekts, wobei die ersten 3D-Koordinaten zumindest teilweise auf dem ersten Lichtmuster von dem Projektor, dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal basieren; ferner das Bestimmen, mit dem Prozessor, eines ersten Strahls von der Kanten erkennenden Kamera zum Objekt, wobei der erste Strahl zumindest teilweise auf dem ersten elektrischen Signal und dem dritten elektrischen Signal basiert; ferner das Bestimmen, mit dem Prozessor, von zweiten 3D-Koordinaten des Kantenpunkts zumindest teilweise basierend auf einem Schnittpunkt des ersten Strahls mit den ersten 3D-Koordinaten der ersten Oberfläche; und das Speichern der zweiten 3D-Koordinaten des Kantenpunkts.

Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen sind beispielhafte Ausführungsformen dargestellt, welche nicht als den gesamten Schutzbereich der Offenbarung einschränkend aufzufassen sind und wobei die Elemente in mehreren Figuren gleich nummeriert sind:

1, einschließlich 1A und 1B, sind Perspektivansichten eines tragbaren Gelenkarm-Koordinatenmessgeräts (Gelenkarm-KMG), das Ausführungsformen verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung enthält;

2, einschließlich 2A–2D zusammengenommen, ist ein Blockschaltbild der Elektronik, die als Teil des Gelenkarm-KMGs von 1 gemäß einer Ausführungsform verwendet wird;

3, einschließlich 3A und 3B zusammengenommen, ist ein Blockschaltbild, das detaillierte Merkmale des elektronischen Datenverarbeitungssystems von 2 gemäß einer Ausführungsform beschreibt;

4 ist eine isometrische Ansicht des Sondenendes des Gelenkarm-KMGs aus 1;

5 ist eine Seitenansicht des Sondenendes aus 4, wobei der Griff an dieses gekoppelt ist;

6 ist eine Seitenansicht des Sondenendes aus 4, wobei der Griff angebracht ist;

7 ist eine vergrößerte teilweise Seitenansicht des Schnittstellenabschnitts des Sondenendes aus 6;

8 ist eine weitere vergrößerte teilweise Seitenansicht des Schnittstellenabschnitts des Sondenendes aus 5;

9 ist eine isometrische Ansicht des Griffs aus 4, teilweise im Schnitt;

10 ist eine isometrische Ansicht des Sondenendes des Gelenkarm-KMGs aus 1 mit einer Streifenlichtvorrichtung, an der eine einzelne Kamera angebracht ist;

11 ist eine isometrische Ansicht der Vorrichtung aus 10, teilweise im Schnitt;

12 ist eine isometrische Ansicht des Sondenendes des Gelenkarm-KMGs aus 1 mit einer weiteren Streifenlichtvorrichtung mit zwei angebrachten Kameras;

13A und 13B sind schematische Ansichten, die den Betrieb der Vorrichtung aus 10 veranschaulichen, wenn diese an dem Sondenende des Gelenkarm-KMGs aus 1 angebracht ist;

14–17 sind sequentielle Projektionen mit einem uncodierten binären Muster, das von der Streifenlichtvorrichtung aus 10 oder 12 ausgestrahlt werden kann, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

18–19 sind räumlich variierende farbcodierte Muster, die von der Streifenlichtvorrichtung aus 10 oder 12 ausgestrahlt werden können, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

20–23 sind räumlich variierende Streifenindex-codierte Muster, die von der Streifenlichtvorrichtung aus 10 oder 12 ausgestrahlt werden können, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

24–31 sind zweidimensionale Gittermuster, die von der Streifenlichtvorrichtung aus 10 oder 12 ausgestrahlt werden können, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

32 ist eine schematische Veranschaulichung einer photometrischen Technik zur Erfassung von Mustern von Streifenlicht unter einer Vielzahl von Beleuchtungsbedingungen;

33 ist eine Veranschaulichung einer Streifenlicht-Scannervorrichtung, die unabhängig von einem Gelenkarm-KMG bedienbar ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

34 ist eine isometrische Zeichnung eines Sondenendes mit einem Triangulationsscanner und einer Kamera, die zusammen verwendet werden, um scharfe 3D-Darstellungen zu erzeugen;

35 ist eine schematische Veranschaulichung von Strahlen, die durch ein Kameraperspektivitätszentrum projiziert werden, um scharfe Kanten für 3D-Darstellungen bereitzustellen; und

36 ist eine Veranschaulichung, die ein Loch mit Kanten mit einem umgebenden Bereich, der eine "Unschärfe" aufweist, hat.

Tragbare Gelenkarm-Koordinatenmessgeräte ("Gelenkarm-KMGs") werden in einer Vielfalt von Anwendungen verwendet, um Messungen von Objekten zu erhalten. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten Vorteile dahingehend, dass ein Bediener leicht und schnell Zubehörvorrichtungen, welche Streifenlicht verwenden, um die berührungslose Messung eines dreidimensionalen Objekts zu ermöglichen, an ein Sondenende des Gelenkarm-KMGs koppeln kann. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten weitere Vorteile dahingehend, dass Kommunikationsdaten bereitgestellt werden, die eine Punkt-Cloud darstellen, die von der Streifenlichtvorrichtung innerhalb des Gelenkarm-KMGs gemessen wurde. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten Vorteile einer größeren Gleichmäßigkeit bei der Verteilung von Messpunkten, die eine verbesserte Genauigkeit bieten kann. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten noch weitere Vorteile dahingehend, dass sie einem abnehmbaren Zubehörteil Strom und Datenkommunikation bereitstellen, ohne dass externe Anschlüsse oder Verdrahtungen vorliegen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten noch weitere Vorteile dahingehend, dass Kanten von Merkmalen in 3D-Darstellungen schärfer werden.

Wie er hier verwendet wird, bedeutet der Begriff “Streifenlicht” ein zweidimensionales Lichtmuster, das auf einen kontinuierlichen und eingeschlossenen Bereich eines Objekts projiziert wird, welches Informationen übermittelt, die verwendet werden können, um Koordinaten von Punkten auf dem Objekt zu bestimmen. Ein Streifenlichtmuster enthält mindestens drei nicht-kollineare Musterelemente, die innerhalb des zusammenhängenden und eingeschlossenen Bereichs angeordnet sind. Jedes der drei nicht-kollinearen Musterelemente übermittelt Informationen, die verwendet werden können, um die Punktkoordinaten zu bestimmen.

Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Streifenlicht, ein codiertes Lichtmuster und ein uncodiertes Lichtmuster. Wie es hier verwendet wird, ist ein codiertes Lichtmuster eines, bei dem die dreidimensionalen Koordinaten einer beleuchteten Oberfläche des Objekts durch die Erfassung eines einzelnen Bilds festgestellt werden können. In manchen Fällen kann sich die Projektionsvorrichtung relativ zum Objekt bewegen. Mit anderen Worten gibt es bei einem codierten Lichtmuster keine wesentliche temporale Beziehung zwischen dem projizierten Muster und dem erfassten Bild. Typischerweise enthält ein codiertes Lichtmuster einen Satz von Elementen (z. B. geometrische Formen), die so angeordnet sind, dass mindestens drei der Elemente nicht-kollinear sind. In manchen Fällen kann der Satz von Elementen zu Sammlungen von Linien angeordnet werden. Wenn mindestens drei der Elemente nicht-kollinear sind, wird gewährleistet, dass das Muster nicht ein einfaches Linienmuster ist, wie es zum Beispiel von einem Laserlinienscanner projiziert werden würde. Infolgedessen sind die Musterelemente auf Grund der Anordnung der Elemente erkennbar.

Im Gegensatz dazu ist ein uncodiertes Streifenlichtmuster, wie es hier verwendet wird, ein Muster, das keine Messung durch ein einzelnes Muster gestattet, wenn sich der Projektor relativ zum Objekt bewegt. Ein Beispiel für ein uncodiertes Lichtmuster ist eines, welches eine Reihe von sequentiellen Mustern und somit die Erfassung einer Reihe von sequentiellen Bildern erfordert. Durch die temporale Art des Projektionsmusters und die Erfassung des Bildes sollte keine relative Bewegung zwischen dem Projektor und dem Objekt bestehen.

Es versteht sich, dass sich Streifenlicht von Licht unterscheidet, das durch eine Laserliniensonde oder eine Vorrichtung von der Art eines Laserlinienscanners, die eine Lichtlinie erzeugt, projiziert wird. In dem Maße, wie Laserliniensonden, die mit Gelenkarmen verwendet werden, heutzutage Unregelmäßigkeiten oder andere Aspekte aufweisen, die als Merkmale innerhalb der erzeugten Linien angesehen werden können, sind diese Merkmale in einer kollinearen Anordnung angeordnet. Folglich werden solche Merkmale innerhalb einer einzelnen erzeugten Linie nicht als das projizierte Licht zu einem Streifenlicht ändernd angesehen.

Die 1A und 1B veranschaulichen perspektivisch ein Gelenkarm-KMG 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei ein Gelenkarm eine Art von Koordinatenmessgerät ist. Wie in den 1A und 1B gezeigt ist, kann das beispielhafte Gelenkarm-KMG 100 ein Gelenkmessgerät mit sechs oder sieben Achsen mit einem Sondenende 401 aufweisen, das an einem Ende ein an einen Armabschnitt 104 des Gelenkarm-KMGs 100 gekoppeltes Messsondengehäuse 102 umfasst. Der Armabschnitt 104 umfasst ein erstes Armsegment 106, das durch eine erste Gruppierung von Lagereinsätzen 110 (z. B. zwei Lagereinsätze) an ein zweites Armsegment 108 gekoppelt ist.

Eine zweite Gruppierung von Lagereinsätzen 112 (z. B. zwei Lagereinsätze) koppelt das zweite Armsegment 108 an das Messsondengehäuse 102. Eine dritte Gruppierung von Lagereinsätzen 114 (z. B. drei Lagereinsätze) koppelt das erste Armsegment 106 an ein Unterteil 116, das am anderen Ende des Armabschnitts 104 des Gelenkarm-KMGs 100 angeordnet ist. Jede Gruppierung von Lagereinsätzen 110, 112, 114 stellt mehrere Achsen der Gelenkbewegung bereit. Außerdem kann das Sondenende 401 ein Messsondengehäuse 102 umfassen, das die Welle des siebten Achsenabschnitts des Gelenkarm-KMGs 100 aufweist (z. B. einen Einsatz, der ein Codierersystem enthält, das eine Bewegung des Messgeräts, beispielsweise einer Sonde 118, in der siebten Achse des Gelenkarm-KMGs 100 bestimmt). Bei dieser Ausführungsform kann sich das Sondenende 401 um eine Achse drehen, die sich durch die Mitte des Messsondengehäuses 102 erstreckt. Das Unterteil 116 ist im Gebrauch des Gelenkarm-KMGs 100 normalerweise an einer Arbeitsfläche befestigt.

Jeder Lagereinsatz in jeder Lagereinsatzgruppierung 110, 112, 114 enthält normalerweise ein Codierersystem (z. B. ein optisches Winkelcodierersystem). Das Codierersystem (d.h. ein Messumformer) stellt eine Angabe der Position der jeweiligen Armsegmente 106, 108 und der entsprechenden Lagereinsatzgruppierungen 110, 112, 114 bereit, die alle zusammen eine Angabe der Position der Sonde 118 in Bezug auf das Unterteil 116 (und somit die Position des durch das Gelenkarm-KMG 100 gemessenen Objekts in einem bestimmten Bezugssystem – beispielsweise einem lokalen oder globalen Bezugssystem) bereitstellen. Die Armsegmente 106, 108 können aus einem in geeigneter Weise starren Material bestehen, wie beispielsweise unter anderem einem Kohlefaserverbundmaterial. Ein tragbares Gelenkarm-KMG 100 mit sechs oder sieben Achsen der Gelenkbewegung (d. h. Freiheitsgraden) bietet Vorteile dahingehend, dass dem Bediener gestattet wird, die Sonde 118 an einer gewünschten Stelle innerhalb eines 360°-Bereichs um das Unterteil 116 zu positionieren, wobei ein Armabschnitt 104 bereitgestellt wird, der vom Bediener leicht gehandhabt werden kann. Es versteht sich jedoch, dass die Darstellung eines Armabschnitts 104 mit zwei Armsegmenten 106, 108 als Beispiel dient und dass die beanspruchte Erfindung nicht dadurch eingeschränkt sein sollte. Ein Gelenkarm-KMG 100 kann eine beliebige Anzahl von Armsegmenten aufweisen, die durch Lagereinsätze aneinandergekoppelt sind (und somit mehr oder weniger als sechs oder sieben Achsen der Gelenkbewegung oder Freiheitsgrade aufweisen).

Die Sonde 118 ist am Messsondengehäuse 102 lösbar angebracht, welches mit der Lagereinsatzgruppierung 112 verbunden ist. Ein Griff 126 ist in Bezug auf das Messsondengehäuse 102 beispielsweise mittels eines Schnellverbinderanschlusses abnehmbar. Wie später genauer besprochen wird, kann der Griff 126 durch eine andere Vorrichtung ersetzt werden, die dafür ausgelegt ist, ein Streifenlicht auszustrahlen, um eine berührungslose Messung von dreidimensionalen Objekten bereitzustellen, wodurch Vorteile dahingehend geschaffen werden, dass der Bediener mit demselben Gelenkarm-KMG 100 Kontaktmessungen und berührungslose Messungen vornehmen kann. Das Sondengehäuse 102 beherbergt bei beispielhaften Ausführungsformen eine abnehmbare Sonde 118, die ein Kontaktmessgerät ist und verschiedene Spitzen 118 aufweisen kann, die das zu messende Objekt physisch berühren und folgende umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein: Sonden vom Kugeltyp, berührungsempfindliche, gebogene und ausfahrbare Sonden. Bei anderen Ausführungsformen wird die Messung beispielsweise durch ein berührungsloses Gerät, wie z. B. eine codierte Streifenlicht-Scannervorrichtung, durchgeführt. Der Griff 126 ist bei einer Ausführungsform durch die codierte Streifenlicht-Scannervorrichtung unter Verwendung des Schnellverbinderanschlusses ersetzt. Andere Typen von Messvorrichtungen können den abnehmbaren Griff 126 ersetzen, um eine zusätzliche Funktionalität bereitzustellen. Beispiele für solche Messvorrichtungen umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, zum Beispiel eine oder mehrere Beleuchtungslampen, einen Temperatursensor, einen Thermoscanner, einen Strichcodescanner, einen Projektor, eine Lackierpistole, eine Kamera oder dergleichen.

Wie in den 1A und 1B gezeigt ist, umfasst das Gelenkarm-KMG 100 den abnehmbaren Griff 126, der die Vorteile bereitstellt, dass Zubehörteile oder Funktionalitäten geändert werden können, ohne dass das Messsondengehäuse 102 von der Lagereinsatzgruppierung 112 entfernt werden muss. Wie unter Bezugnahme auf 2D nachstehend ausführlicher besprochen wird, kann der abnehmbare Griff 126 auch ein elektrisches Verbindungsstück umfassen, das es gestattet, dass elektrische Energie und Daten mit dem Griff 126 und der im Sondenende 401 angeordneten entsprechenden Elektronik ausgetauscht werden.

Bei verschiedenen Ausführungsformen ermöglicht jede Gruppierung von Lagereinsätzen 110, 112, 114, dass sich der Armabschnitt 104 des Gelenkarm-KMGs 100 um mehrere Drehachsen bewegt. Wie bereits erwähnt, umfasst jede Lagereinsatzgruppierung 110, 112, 114 entsprechende Codierersysteme wie beispielsweise optische Winkelcodierer, die jeweils koaxial mit der entsprechenden Drehachse z. B. der Armsegmente 106, 108 angeordnet sind. Das optische Codierersystem erfasst eine Drehbewegung (Schwenkbewegung) oder Querbewegung (Gelenkbewegung) beispielsweise von jedem der Armsegmente 106, 108 um die entsprechende Achse und überträgt ein Signal zu einem elektronischen Datenverarbeitungssystem in dem Gelenkarm-KMG 100, wie hier im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Jede einzelne unverarbeitete Codiererzählung wird separat als Signal an das elektronische Datenverarbeitungssystem gesendet, wo sie zu Messdaten weiterverarbeitet wird. Es ist kein von dem Gelenkarm-KMG 100 selbst getrennter Positionsberechner (z. B. eine serielle Box) erforderlich, wie er in dem US5402582US-Patent Nr. 5,402,582 ('582) des gleichen Inhabers offenbart wird.

Das Unterteil 116 kann eine Befestigungs- bzw. Montagevorrichtung 120 umfassen. Die Montagevorrichtung 120 ermöglicht die abnehmbare Montage des Gelenkarm-KMGs 100 an einer gewünschten Stelle, wie beispielsweise einem Inspektionstisch, einem Bearbeitungszentrum, einer Wand oder dem Boden. Das Unterteil 116 umfasst bei einer Ausführungsform einen Griffabschnitt 122, der eine zweckmäßige Stelle bietet, an welcher der Bediener das Unterteil 116 halten kann, während das Gelenkarm-KMG 100 bewegt wird. Bei einer Ausführungsform umfasst das Unterteil 116 ferner einen beweglichen Abdeckungsabschnitt 124, der herunterklappbar ist, um eine Benutzerschnittstelle, wie beispielsweise einen Bildschirm, freizugeben.

Gemäß einer Ausführungsform enthält oder birgt das Unterteil 116 des tragbaren Gelenkarm-KMGs 100 eine elektronische Schaltung mit einem elektronischen Datenverarbeitungssystem, welches zwei primäre Komponenten umfasst: ein Basisverarbeitungssystem, das die Daten der verschiedenen Codierersysteme im Gelenkarm-KMG 100sowie Daten, die andere Armparameter zur Unterstützung von dreidimensionalen(3D-)Positionsberechnungen repräsentieren, verarbeitet; und ein Benutzerschnittstellen-Verarbeitungssystem, das ein integriertes Betriebssystem, einen berührungssensitiven Bildschirm und eine residente Anwendungssoftware umfasst, welche die Implementierung relativ vollständiger messtechnischer Funktionen innerhalb des Gelenkarm-KMGs 100 gestattet, ohne dass dabei eine Verbindung zu einem externen Computer vorhanden sein muss.

Das elektronische Datenverarbeitungssystem im Unterteil 116 kann mit den Codierersystemen, Sensoren und anderer peripherer Hardware, die entfernt vom Unterteil 116 angeordnet ist (z. B. eine Streifenlichtvorrichtung, die am abnehmbaren Griff 126 an dem Gelenkarm-KMG 100 montiert werden kann), kommunizieren. Die Elektronik, die diese peripheren Hardwarevorrichtungen oder -merkmale unterstützt, kann sich in jeder der in dem tragbaren Gelenkarm-KMG 100 angeordneten Lagereinsatzgruppierungen 110, 112, 114 befinden.

2 ist ein Blockschaltbild der Elektronik, die gemäß einer Ausführungsform in einem Gelenkarm-KMG 100 verwendet wird. Die in 2A dargestellte Ausführungsform umfasst ein elektronisches Datenverarbeitungssystem 210, das eine Basisprozessorkarte 204 zur Implementierung des Basisverarbeitungssystems, eine Benutzerschnittstellenkarte 202, eine Basisenergiekarte 206 zur Bereitstellung von Energie, ein Bluetooth-Modul 232 und eine Basisneigungskarte 208 umfasst. Die Benutzerschnittstellenkarte 202 umfasst einen Computerprozessor zum Ausführen der Anwendungssoftware, um die Benutzerschnittstelle, den Bildschirm und andere hier beschriebene Funktionen auszuführen.

Wie in den 2A und 2B zu sehen ist, steht das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 über einen oder mehrere Armbusse 218 mit den vorgenannten mehreren Codierersystemen in Verbindung. Jedes Codierersystem erzeugt bei der in 2B und 2C dargestellten Ausführungsform Codiererdaten und umfasst: eine Codierer-Armbus-Schnittstelle 214, einen digitalen Codierer-Signalprozessor (DSP) 216, eine Codierer-Lesekopf-Schnittstelle 234 und einen Temperatursensor 212. Andere Vorrichtungen, wie beispielsweise Dehnungssensoren, können an den Armbus 218 angeschlossen werden.

In 2D ist auch die Sondenende-Elektronik 230 dargestellt, die mit dem Armbus 218 in Verbindung steht. Die Sondenende-Elektronik 230 umfasst einen Sondenende-DSP 228, einen Temperatursensor 212, einen Griff-/Vorrichtungs-Schnittstellenbus 240, der bei einer Ausführungsform über den Schnellverbinderanschluss mit dem Griff 126 oder der codierten Streifenlicht-Scannervorrichtung 242 verbunden ist, und eine Sondenschnittstelle 226. Der Schnellverbinderanschluss ermöglicht den Zugang des Griffs 126 zu dem Datenbus, den Steuerleitungen, dem von der codierten Streifenlicht-Scannervorrichtung 242 benutzten Energiebus und anderen Zubehörteilen. Die Sondenende-Elektronik 230 ist bei einer Ausführungsform in dem Messsondengehäuse 102 am Gelenkarm-KMG 100 angeordnet. Der Griff 126 kann bei einer Ausführungsform von dem Schnellverbinderanschluss entfernt werden, und die Messung kann mit der Streifenlichtvorrichtung 242, die über den Schnittstellenbus 240 mit der Sondenende-Elektronik 230 des Gelenkarm-KMGs 100 in Verbindung steht, durchgeführt werden. Bei einer Ausführungsform sind das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 im Unterteil 116 des Gelenkarm-KMGs 100, die Sondenende-Elektronik 230 im Messsondengehäuse 102 des Gelenkarm-KMGs 100 und die Codierersysteme in den Lagereinsatzgruppierungen 110, 112, 114 angeordnet. Die Sondenschnittstelle 226 kann durch ein beliebiges geeignetes Kommunikationsprotokoll, das im Handel erhältliche Produkte von Maxim Integrated Products, Inc. umfasst, die als 1-Wire^®-Kommunikationsprotokoll 236 ausgebildet sind, mit dem Sondenende-DSP 228 verbunden werden.

3 ist ein Blockschaltbild, das detaillierte Merkmale des elektronischen Datenverarbeitungssystems 210 des Gelenkarm-KMGs 100 gemäß einer Ausführungsform beschreibt. Das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 ist bei einer Ausführungsform im Unterteil 116 des Gelenkarm-KMGs 100 angeordnet und umfasst die Basisprozessorkarte 204, die Benutzerschnittstellenkarte 202, eine Basisenergiekarte 206, ein Bluetooth-Modul 232 und ein Basisneigungsmodul 208.

Bei einer in 3A gezeigten Ausführungsform umfasst die Basisprozessorkarte 204 die verschiedenen, dort dargestellten funktionellen Blöcke. Eine Basisprozessorfunktion 302 wird beispielsweise verwendet, um die Erfassung von Messdaten des Gelenkarm-KMGs 100 zu unterstützen, und empfängt über den Armbus 218 und eine Bussteuermodulfunktion 308 unverarbeitete Armdaten (z. B. Codierersystemdaten). Die Speicherfunktion 304 speichert Programme und statische Armkonfigurationsdaten. Die Basisprozessorkarte 204 umfasst ferner eine für eine externe Hardwareoption vorgesehene Portfunktion 310, um mit etwaigen externen Hardwaregeräten oder Zubehörteilen, wie beispielsweise einer codierten Streifenlicht-Scannervorrichtung 242, zu kommunizieren. Eine Echtzeituhr (RTC; real time clock) und ein Protokoll 306, eine Batteriesatzschnittstelle (IF; interface) 316 und ein Diagnoseport 318 sind bei einer Ausführungsform der in 3A abgebildeten Basisprozessorkarte 204 ebenfalls in der Funktionalität enthalten.

Die Basisprozessorkarte 204 verwaltet auch die gesamte drahtgebundene und drahtlose Datenkommunikation mit externen (Host-Rechner) und internen (Bildschirmprozessor 202) Vorrichtungen. Die Basisprozessorkarte 204 ist in der Lage, über eine Ethernet-Funktion 320 mit einem Ethernet-Netz (z. B. unter Verwendung einer Taktsynchronisations-Norm, wie beispielsweise IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 1588), über eine LAN-Funktion 322 mit einem drahtlosen Local Area Network (WLAN; wireless local area network) und über eine Parallel-Seriell-Kommunikations-Funktion (PSK-Funktion) 314 mit einem Bluetooth-Modul 232 zu kommunizieren. Die Basisprozessorkarte 204 umfasst des Weiteren einen Anschluss an eine Universal-Serial-Bus-Vorrichtung (USB) 312.

Die Basisprozessorkarte 204 überträgt und erfasst unverarbeitete Messdaten (z. B. Zählungen des Codierersystems, Temperaturmesswerte) für die Verarbeitung zu Messdaten, ohne dass dabei irgendeine Vorverarbeitung erforderlich ist, wie sie beispielsweise bei der seriellen Box des vorgenannten US5402582Patents ’582 offenbart wird. Der Basisprozessor 204 sendet die verarbeiteten Daten über eine RS485-Schnittstelle (IF) 326 an den Bildschirmprozessor 328 auf der Benutzerschnittstellenkarte 202. Bei einer Ausführungsform sendet der Basisprozessor 204 auch die unverarbeiteten Messdaten an einen externen Computer.

Nun Bezug nehmend auf die Benutzerschnittstellenkarte 202 in 3B werden die vom Basisprozessor empfangenen Winkel- und Positionsdaten von auf dem Bildschirmprozessor 328 ausgeführten Anwendungen verwendet, um ein autonomes messtechnisches System in dem Gelenkarm-KMG 100 bereitzustellen. Die Anwendungen können auf dem Bildschirmprozessor 328 ausgeführt werden, um beispielsweise unter anderem folgende Funktionen zu unterstützen: Messung von Merkmalen, Anleitungs- und Schulungsgrafiken, Ferndiagnostik, Temperaturkorrekturen, Steuerung verschiedener Betriebseigenschaften, Verbindung zu verschiedenen Netzen und Anzeige gemessener Objekte. Die Benutzerschnittstellenkarte 202 umfasst zusammen mit dem Bildschirmprozessor 328 und einer Benutzerschnittstelle für einen Flüssigkristallbildschirm (LCD-Bildschirm; liquid crystal display) 338 (z. B. ein berührungssensitiver LCD-Bildschirm) mehrere Schnittstellenoptionen, zu denen eine Secure-Digital-Karten-Schnittstelle (SD-Karten-Schnittstelle) 330, ein Speicher 332, eine USB-Host-Schnittstelle 334, ein Diagnoseport 336, ein Kameraport 340, eine Audio-/Video-Schnittstelle 342, ein Wähl-/Funkmodem 344 und ein Port 346 für das Global Positioning System (GPS) gehören.

Das in 3A abgebildete elektronische Datenverarbeitungssystem 210 umfasst des Weiteren eine Basisenergiekarte 206 mit einem Umgebungsaufzeichnungsgerät 362 zur Aufzeichnung von Umgebungsdaten. Die Basisenergiekarte 206 stellt auch Energie für das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 bereit, wobei ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 358 und eine Batterieladegerät-Steuerung 360 verwendet werden. Die Basisenergiekarte 206 steht über einen seriellen Single-Ended Bus 354, der einen Inter-Integrated Circuit (I2C) aufweist, sowie über eine serielle DMA-Peripherieschnittstelle (DSPI) 357 mit der Basisprozessorkarte 204 in Verbindung. Die Basisenergiekarte 206 ist über eine Ein-/Ausgabe-Erweiterungsfunktion (I/O-Erweiterungsfunktion) 364, die in der Basisenergiekarte 206 implementiert ist, mit einem Neigungssensor und einem Radiofrequenzidentifikations-Modul (RFID-Modul) 208 verbunden.

Obwohl sie als getrennte Komponenten dargestellt sind, können alle oder eine Untergruppe der Komponenten bei anderen Ausführungsformen physisch an verschiedenen Stellen angeordnet sein und/oder die Funktionen auf andere Art als bei der in 3A und 3B dargestellten kombiniert sein. Beispielsweise sind die Basisprozessorkarte 204 und die Benutzerschnittstellenkarte 202 bei einer Ausführungsform in einer physischen Karte kombiniert.

Nun mit Bezug auf die 4–9 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Sondenendes 401 mit einem Messsondengehäuse 102 mit einem mechanischen und elektrischen Schnellverbinderanschluss gezeigt, die das Koppeln einer abnehmbaren und austauschbaren Vorrichtung 400 an das Gelenkarm-KMG 100 gestattet. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 400 ein Gehäuse 402, das einen Griffabschnitt 404 umfasst, der so bemessen und geformt ist, dass er in der Hand eines Bedieners gehalten werden kann, wie zum Beispiel bei einem Kolbengriff. Das Gehäuse 402 ist eine dünnwandige Struktur mit einem Hohlraum 406 (9). Der Hohlraum 406 ist so bemessen und ausgeführt, dass er einen Controller 408 aufnehmen kann. Der Controller 408 kann eine digitale Schaltung, zum Beispiel mit einem Mikroprozessor, oder eine analoge Schaltung sein. In einer Ausführungsform kommuniziert der Controller 408 asynchron und bidirektional mit dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 (2 und 3). Die Kommunikationsverbindung zwischen dem Controller 408 und dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 kann drahtgebunden sein (z. B. über den Controller 420), oder sie kann eine direkte oder indirekte drahtlose Verbindung (z. B. Bluetooth oder IEEE 802.11), oder aber eine Kombination von einer drahtgebundenen und einer drahtlosen Verbindung sein. In der beispielhaften Ausführungsform ist das Gehäuse 402 in zwei Hälften 410, 412 ausgebildet, zum Beispiel aus einem Spritzguss-Kunststoffmaterial. Die Hälften 410, 412 können durch Befestigungsmittel, wie zum Beispiel Schrauben 414, aneinander befestigt sein. In anderen Ausführungsformen können die Gehäusehälften 410, 412 zum Beispiel durch Klebstoffe oder Ultraschallschweißen aneinander befestigt sein.

Der Griffabschnitt 404 umfasst auch Knöpfe oder Stellglieder 416, 418, die durch den Bediener manuell aktiviert werden können. Die Stellglieder 416, 418 sind an den Controller 408 gekoppelt, der an einen Controller 420 innerhalb des Sondengehäuses 102 ein Signal übermittelt. In den beispielhaften Ausführungsformen führen die Stellglieder 416, 418 die Funktionen der Stellglieder 422, 424, aus, die auf dem Sondengehäuse 102 gegenüber der Vorrichtung 400 angeordnet sind. Es ist ersichtlich, dass die Vorrichtung 400 zusätzliche Schalter, Knöpfe oder andere Stellglieder aufweisen kann, die auch verwendet werden können, um die Vorrichtung 400, das Gelenkarm-KMG 100, oder umgekehrt zu steuern. Die Vorrichtung 400 kann zum Beispiel auch Anzeigevorrichtungen, wie Leuchtdioden (LEDs), Schallgeber, Messgeräte, Anzeigen oder Messinstrumente aufweisen. In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung 400 ein digitales Sprachaufzeichnungsgerät umfassen, das die Synchronisation von verbalen Kommentaren mit einem gemessenen Punkt gestattet. In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 400 ein Mikrophon, das es dem Bediener gestattet, sprachgesteuerte Befehle an das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 zu übertragen.

In einer Ausführungsform kann der Griffabschnitt 404 so konfiguriert sein, dass er mit jeder Hand des Bedieners oder mit einer bestimmten Hand (z. B. der linken Hand oder der rechten Hand) verwendet werden kann. Der Griffabschnitt 404 kann auch so konfiguriert sein, dass er von Bedienern mit Behinderungen bedient werden kann (z. B. Bediener, denen Finger fehlen, oder Bediener mit einer Armprothese). Des Weiteren kann der Griffabschnitt 404 abgenommen und das Sondengehäuse 102 alleine verwendet werden, wenn die Raumverhältnisse beengt sind. Wie oben besprochen, kann das Sondenende 401 auch die Welle der siebten Achse des Gelenkarm-KMGs 100 aufweisen. Bei dieser Ausführungsform kann die Vorrichtung 400 so angeordnet sein, dass sie sich um die siebte Achse des Gelenkarm-KMGs dreht.

Das Sondenende 401 umfasst eine mechanische und elektrische Schnittstelle 426 mit einem ersten Verbindungsstück 429 (8) auf der Vorrichtung 400, das mit einem zweiten Verbindungsstück 428 auf dem Sondengehäuse 102 zusammenwirkt. Die Verbindungsstücke 428, 429 können elektrische und mechanische Merkmale umfassen, die das Koppeln der Vorrichtung 400 an das Sondengehäuse 102 gestatten. In einer Ausführungsform umfasst die Schnittstelle 426 eine erste Oberfläche 430 mit einem mechanischen Koppler 432 und einem darauf angeordneten elektrischen Verbindungsstück 434. Das Gehäuse 402 umfasst auch eine zweite Oberfläche 436, die angrenzend an die erste Oberfläche 430 und versetzt zu dieser positioniert ist. In der beispielhaften Ausführungsform ist die zweite Oberfläche 436 eine planare Oberfläche, die um einen Abstand von etwa 1,27 cm (0,5 Inch) von der ersten Oberfläche 430 versetzt ist. Dieser Versatz schafft Raum für die Finger des Bedieners, wenn er eine Befestigungseinrichtung, wie einen Kragen 438, anzieht oder löst. Die Schnittstelle 426 schafft eine relativ schnelle und sichere elektronische Verbindung zwischen der Vorrichtung 400 und dem Sondengehäuse 102, ohne dass Steckerstifte ausgerichtet werden müssen, und ohne Bedarf an separaten Kabeln oder Verbindungsstücken.

Das elektrische Verbindungsstück 434 erstreckt sich von der ersten Oberfläche 430 und umfasst einen oder mehrere Steckerstifte 440, die asynchron bidirektional mit dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 elektrisch gekoppelt sind (2 und 3), wie zum Beispiel über einen oder mehrere Armbusse 218. Die bidirektionale Kommunikationsverbindung kann (z. B. über den Armbus 218) drahtgebunden, drahtlos (z. B. Bluetooth oder IEEE 802.11) oder eine Kombination aus einer drahtgebundenen und einer drahtlosen Verbindung sein. In einer Ausführungsform ist das elektrische Verbindungsstück 434 elektrisch an den Controller 420 gekoppelt. Der Controller 420 kann asynchron bidirektional mit dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 kommunizieren, wie zum Beispiel über einen oder mehrere Armbusse 218. Das elektrische Verbindungsstück 434 ist so positioniert, dass es eine relativ schnelle und sichere elektronische Verbindung mit dem elektrischen Verbindungsstück 442 auf dem Sondengehäuse 102 bietet. Die elektrischen Verbindungsstücke 434, 442 sind miteinander verbunden, wenn die Vorrichtung 400 an dem Sondengehäuse 102 angebracht ist. Die elektrischen Verbindungsstücke 434, 442 können jeweils ein mit Metall ummanteltes Verbindungsstückgehäuse aufweisen, das eine Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Störung bietet und die Steckerstifte schützt sowie beim Anbringen der Vorrichtung 400 an dem Sondengehäuse 102 das Ausrichten der Stifte unterstützt.

Der mechanische Koppler 432 schafft eine relativ starre mechanische Kopplung zwischen der Vorrichtung 400 und dem Sondengehäuse 102, um relativ präzise Anwendungen zu unterstützen, bei denen sich die Position der Vorrichtung 400 am Ende des Armabschnitts 104 des Gelenkarm-KMGs 100 vorzugsweise nicht verschiebt oder bewegt. Jede derartige Bewegung kann typischerweise eine unerwünschte Beeinträchtigung der Genauigkeit des Messergebnisses nach sich ziehen. Diese gewünschten Ergebnisse werden unter Verwendung von verschiedenen Strukturmerkmalen des mechanischen Anbringungskonfigurationsabschnitts des mechanischen und elektronischen Schnellverbinderanschlusses einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erreicht.

In einer Ausführungsform umfasst der mechanische Koppler 432 einen ersten Vorsprung 444, der an einem Ende 448 (der Vorderkante oder der „Stirnseite“ der Vorrichtung 400) positioniert ist. Der erste Vorsprung 444 kann eine ausgerundete, gekerbte oder geneigte Schnittstelle umfassen, die einen Rand 446 bildet, der sich von dem ersten Vorsprung 444 erstreckt. Der Rand 446 ist so bemessen, dass er in einem Schlitz 450 aufgenommen werden kann, der durch einen Vorsprung 452 definiert ist, der sich von dem Sondengehäuse 102 erstreckt (8). Es ist ersichtlich, dass der erste Vorsprung 444 und der Schlitz 450 zusammen mit dem Kragen 438 eine Koppleranordnung bilden, so dass, wenn der Rand 446 innerhalb des Schlitzes 450 positioniert ist, der Schlitz 450 verwendet werden kann, um sowohl die längsgerichtete als auch die seitliche Bewegung der Vorrichtung 400 einzuschränken, wenn diese auf dem Sondengehäuse 102 angebracht ist. Wie später genauer besprochen wird, kann die Drehung des Kragens 438 dazu verwendet werden, den Rand 446 innerhalb des Schlitzes 450 zu sichern.

Gegenüber dem ersten Vorsprung 444 kann der mechanische Koppler 432 einen zweiten Vorsprung 454 umfassen. Der zweite Vorsprung 454 kann eine ausgerundete, gekerbte oder geneigte Schnittstellenfläche 456 aufweisen (5). Der zweite Vorsprung 454 ist so positioniert, dass er in eine dem Sondengehäuse 102 zugeordnete Befestigungsvorrichtung, wie zum Beispiel den Kragen 438, eingreift. Wie später genauer besprochen wird, umfasst der mechanische Koppler 432 eine erhabene Oberfläche, die von der Oberfläche 430 vorsteht, die an das elektrische Verbindungsstück 434 angrenzt oder um dieses herum angeordnet ist, die einen Drehpunkt für die Schnittstelle 426 bietet (7 und 8). Dies dient als der dritte von drei Punkten des mechanischen Kontakts zwischen der Vorrichtung 400 und dem Sondengehäuse 102, wenn die Vorrichtung 400 daran angebracht ist.

Das Sondengehäuse 102 umfasst einen Kragen 438, der koaxial an einem Ende angeordnet ist. Der Kragen 438 umfasst einen Gewindeabschnitt, der zwischen einer ersten Position (5) und einer zweiten Position (7) beweglich ist. Durch Drehen des Kragens 438 kann der Kragen 438 verwendet werden, um die Vorrichtung 400 zu befestigen oder zu lösen, ohne dass externe Werkzeuge notwendig sind. Das Drehen des Kragens 438 bewegt den Kragen 438 entlang eines relativ groben Zylinders 474 mit quadratischem Gewinde. Die Verwendung von derartig großen konturierten Oberflächen mit quadratischem Gewinde ermöglicht eine erhebliche Klemmkraft bei einem minimalen Drehmoment. Die grobe Steigung der Gewinde des Zylinders 474 gestattet des Weiteren, dass der Kragen 438 durch minimale Drehung angezogen oder gelöst werden kann.

Um die Vorrichtung 400 an das Sondengehäuse 102 zu koppeln, wird der Rand 446 in den Schlitz 450 eingeführt und die Vorrichtung verschwenkt, um den zweiten Vorsprung 454 zur Oberfläche 458 hin zu drehen, wie es durch den Pfeil 464 angezeigt ist (5). Der Kragen 438 wird gedreht, wodurch sich der Kragen 438 in die durch den Pfeil 462 angezeigte Richtung bewegt oder verschiebt und mit der Oberfläche 456 in Eingriff kommt. Die Bewegung des Kragens 438 gegen die abgewinkelte Oberfläche 456 treibt den mechanischen Koppler 432 gegen die erhabene Oberfläche 460. Dadurch kann die Überwindung potentieller Probleme bezüglich der Verzerrung der Schnittstelle oder fremder Objekte auf der Oberfläche der Schnittstelle, die den starren Sitz der Vorrichtung 400 auf dem Sondengehäuse 102 beeinträchtigen können, unterstützt werden. Die Kraftaufbringung durch den Kragen 438 auf den zweiten Vorsprung 454 bewirkt, dass sich der mechanische Koppler 432 nach vorne bewegt, wobei er den Rand 446 in einen Sitz auf dem Sondengehäuse 102 presst. Während der Kragen 438 weiter angezogen wird, wird der zweite Vorsprung 454 nach oben Richtung Sondengehäuse 102 gepresst, wobei Druck auf einen Drehpunkt ausgeübt wird. Dadurch wird eine Art von Wippenanordnung geschaffen, die Druck auf den zweiten Vorsprung 454, den Rand 446 und den mittleren Drehpunkt ausübt, um ein Verschieben oder Wackeln der Vorrichtung 400 zu verringern oder zu verhindern. Der Drehpunkt presst unmittelbar gegen den Boden auf dem Sondengehäuse 102, während der Rand 446 eine nach unten gerichtete Kraft auf das Ende des Sondengehäuses 102 ausübt. 5 umfasst Pfeile 462, 464, um die Bewegungsrichtung der Vorrichtung 400 und des Kragens 438 zu zeigen. 7 umfasst Pfeile 466, 468, 470, um die Richtung des aufgebrachten Drucks innerhalb der Schnittstelle 426 zu zeigen, wenn der Kragen 438 angezogen wird. Es ist ersichtlich, dass der Abstand des Versatzes der Oberfläche 436 der Vorrichtung 400 einen Spalt 472 zwischen dem Kragen 438 und der Oberfläche 436 schafft (6). Der Spalt 472 gestattet es dem Bediener, einen festeren Griff an dem Kragen 438 zu erhalten, während die Gefahr des Einklemmens von Fingern beim Drehen des Kragens 438 verringert wird. In einer Ausführungsform weist das Sondengehäuse 102 eine ausreichende Steifigkeit auf, um die Verzerrung zu verringern oder verhindern, wenn der Kragen 438 angezogen wird.

Ausführungsformen der Schnittstelle 426 ermöglichen die korrekte Ausrichtung des mechanischen Kopplers 432 und des elektrischen Verbindungsstücks 434 und schützen auch die Elektronikschnittstelle vor aufgebrachten Belastungen, die ansonsten auf Grund der Klemmwirkung des Kragens 438, des Rands 446 und der Oberfläche 456 auftreten könnten. Dies schafft den Vorteil, dass eine Beschädigung der auf einer Leiterplatte 476 montierten elektrischen Verbindungsstücke 434, 442, die gelötete Anschlussklemmen aufweisen können, durch Belastung vermindert oder verhindert werden kann. Die Ausführungsformen bieten auch gegenüber bekannten Ansätzen den Vorteil, dass ein Benutzer kein Werkzeug braucht, um die Vorrichtung 400 mit dem Sondengehäuse 102 zu verbinden oder von diesem zu trennen. Dadurch kann der Bediener die Vorrichtung 400 manuell mit dem Sondengehäuse 102 relativ einfach verbinden oder von diesem trennen.

Auf Grund der relativ hohen Zahl an abgeschirmten elektrischen Verbindungen, die mit der Schnittstelle 426 möglich sind, können das Gelenkarm-KMG 100 und die Vorrichtung 400 eine relativ hohe Zahl an Funktionen gemeinsam nutzen. Zum Beispiel können Schalter, Knöpfe oder andere Stellglieder, die sich an dem Gelenkarm-KMG 100 befinden, verwendet werden, um die Vorrichtung 400 zu steuern, oder umgekehrt. Des Weiteren können Befehle und Daten von dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 zur Vorrichtung 400 übermittelt werden. In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung 400 eine Videokamera, die Daten eines aufgezeichneten Bildes zur Speicherung in einem Speicher in dem Basisprozessor 204 oder zur Anzeige auf dem Bildschirm 328 überträgt. In einer anderen Ausführungsform ist die Vorrichtung 400 ein Bildprojektor, der Daten von dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 empfängt. Außerdem können entweder in dem Gelenkarm-KMG 100 oder in der Vorrichtung 400 angeordnete Temperatursensoren mit dem jeweiligen anderen gemeinsam genutzt werden. Es ist ersichtlich, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung den Vorteil schaffen, dass eine flexible Schnittstelle geschaffen wird, die es ermöglicht, eine große Vielfalt von Zubehörvorrichtungen 400 schnell, einfach und zuverlässig an das Gelenkarm-KMG 100 zu koppeln. Des Weiteren kann die Möglichkeit des gemeinsamen Nutzens von Funktionen durch das Gelenkarm-KMG 100 und die Vorrichtung 400 zu einer Verringerung der Größe, des Stromverbrauchs und der Komplexität des Gelenkarm-KMGs 100 führen, indem diese nur einmal vorhanden sein müssen.

In einer Ausführungsform kann der Controller 408 den Betrieb oder die Funktionalität des Sondenendes 401 des Gelenkarm-KMGs 100 ändern. Zum Beispiel kann der Controller 408 Anzeigeleuchten auf dem Sondengehäuse 102 so ändern, dass entweder ein Licht mit einer anderen Farbe oder einer anderen Lichtintensität ausgestrahlt wird, oder dass das Licht zu anderen Zeiten ein- und ausgeschaltet wird, wenn die Vorrichtung 400 angebracht ist, im Gegensatz zu der Situation, in der das Sondengehäuse 102 alleine verwendet wird. In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 400 einen Entfernungsmesssensor (nicht gezeigt), der den Abstand zu einem Objekt misst. Bei dieser Ausführungsform kann der Controller 408 Anzeigeleuchten auf dem Sondengehäuse 102 ändern, um dem Bediener eine Anzeige zur Verfügung zu stellen, die zeigt, wie weit das Objekt von der Sondenspitze 118 entfernt ist. In einer anderen Ausführungsform kann der Controller 408 die Farbe der Anzeigelichter basierend auf der Qualität des von der codierten Streifenlicht-Scannervorrichtung aufgenommenen Bildes ändern. Dies schafft Vorteile dahingehend, dass die Anforderungen des Controllers 420 vereinfacht werden, und gestattet eine verbesserte oder höhere Funktionalität durch Hinzufügung von Zubehörvorrichtungen.

Mit Bezug auf die 10–13 bieten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Vorteile in Bezug auf Schnittstellen für einen Projektor, eine Kamera, Signalverarbeitung, Steuerung und Anzeige für eine berührungslose dreidimensionale Messvorrichtung 500. Die Vorrichtung 500 umfasst ein Paar von optischen Vorrichtungen, wie zum Beispiel einen Lichtprojektor 508 und eine Kamera 510, die ein Streifenlichtmuster projizieren und ein zweidimensionales Muster empfangen, das von einem Objekt 501 reflektiert worden ist. Die Vorrichtung 500 verwendet auf Triangulation basierende Verfahren, die auf dem bekannten ausgestrahlten Muster und dem erfassten Bild basieren, um eine Punkt-Cloud zu bestimmen, die X, Y, Z-Koordinatendaten für das Objekt 501 für jedes Pixel des empfangenen Bildes darstellen. In einer Ausführungsform ist das Streifenlichtmuster codiert, so dass ein einzelnes Bild ausreicht, um die dreidimensionalen Koordinaten von Objektpunkten zu bestimmen. Man kann auch sagen, dass ein solches codiertes Streifenlichtmuster dreidimensionale Koordinaten in einer einzelnen Aufnahme misst.

In der beispielhaften Ausführungsform verwendet der Projektor 508 eine sichtbare Lichtquelle, die einen Mustergenerator beleuchtet. Die sichtbare Lichtquelle kann ein Laser, eine superstrahlende Diode, ein Glühlicht, eine Leuchtdiode (LED) oder eine andere Licht abgebende Vorrichtung sein. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Mustergenerator ein Chrom-auf-Glas-Lichtbild mit einem darauf eingeätzten Streifenlichtmuster. Das Lichtbild kann ein einzelnes Muster oder mehrere Muster aufweisen, die sich nach Bedarf in eine und aus einer Position bewegen. Das Lichtbild kann manuell oder automatisch in der Betriebsposition installiert werden. Bei anderen Ausführungsformen kann das Quellmuster Licht sein, das von einer digitalen Mikrospiegel-Vorrichtung (Digital Micro-Mirror Device, DMD), wie ein digitaler Lichtprojektor (DLP), hergestellt von Texas Instruments Corporation, einer Flüssigkristallvorrichtung (LCD), einer Flüssigkristall-auf-Silicium-(LCOS)-Vorrichtung oder einer ähnlichen Vorrichtung, die eher im Übertragungsmodus als im Reflexionsmodus verwendet wird, reflektiert oder durchgelassen werden. Der Projektor 508 kann ferner ein Linsensystem 515 umfassen, welches das ausgehende Licht so ändert, dass es die gewünschten fokalen Kennzeichen aufweist.

Die Vorrichtung 500 umfasst ferner eine Hülle 502 mit einem Griffabschnitt 504. In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung 500 ferner eine Schnittstelle 426 an einem Ende umfassen, die die Vorrichtung 500 mechanisch und elektrisch an das Sondengehäuse 102 koppelt, wie hier vorstehend beschrieben wurde. In anderen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 500 in das Sondengehäuse 102 integriert werden. Die Schnittstelle 426 bietet Vorteile dahingehend, dass die Vorrichtung 500 ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Werkzeuge schnell und einfach an das Gelenkarm-KMG 100 angekoppelt und von diesem abgenommen werden kann.

Die Kamera 510 umfasst einen lichtempfindlichen Sensor, der ein digitales Bild / eine digitale Darstellung des Bereichs innerhalb des Gesichtsfelds des Sensors erzeugt. Der Sensor 508 kann zum Beispiel ein Sensor vom Typ einer ladungsgekoppelten Vorrichtung oder ein Sensor vom Typ Komplementär-Metalloxid-Halbleiter (CMOS) sein. Die Kamera 510 kann ferner andere Komponenten aufweisen, wie zum Beispiel unter anderem eine Linse 503 und andere optische Vorrichtungen. In der beispielhaften Ausführungsform sind der Projektor 508 und die Kamera 510 in einem solchen Winkel angeordnet, dass der Sensor von der Oberfläche des Objekts 501 reflektiertes Licht empfangen kann. In einer Ausführungsform sind der Projektor 508 und die Kamera 510 so positioniert, dass die Vorrichtung 500 mit der aufgesetzten Sondenspitze 118 betrieben werden kann. Des Weiteren ist ersichtlich, dass die Vorrichtung 500 im Wesentlichen relativ zu der Sondenspitze 118 fixiert ist und Kräfte auf den Griffabschnitt 504 die Ausrichtung der Vorrichtung 500 relativ zu der Sondenspitze 118 nicht beeinflussen. In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung 500 ein zusätzliches Stellglied (nicht gezeigt) aufweisen, das es dem Bediener gestattet, zwischen der Aufnahme von Daten von der Vorrichtung 500 und der Sondenspitze 118 hin- und herzuschalten.

Der Projektor 508 und die Kamera 510 sind elektrisch an einen Controller 512 gekoppelt, der innerhalb des Gehäuses 502 angeordnet ist. Der Controller 512 kann einen oder mehrere Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren, Speicher- und Signalaufbereitungsschaltungen umfassen. Wegen der digitalen Signalverarbeitung und des von der Vorrichtung 500 erzeugten großen Datenvolumens kann der Controller 512 innerhalb des Griffabschnitts 504 angeordnet werden. Der Controller 512 ist über ein elektrisches Verbindungsstück 434 elektrisch mit den Armbussen 218 gekoppelt. Die Vorrichtung 500 kann ferner Stellglieder 514, 516 umfassen, die vom Bediener manuell betätigt werden können, um den Betrieb und die Datenerfassung durch die Vorrichtung 500 einzuleiten. In einer Ausführungsform wird die Bildverarbeitung zur Bestimmung der X, Y, Z-Koordinatendaten der das Objekt 501 darstellenden Punkt-Cloud durch den Controller 512 durchgeführt, und die Koordinatendaten werden über den Bus 240 an das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 übertragen. In einer anderen Ausführungsform werden Bilder an das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 übertragen und die Berechnung der Koordinaten erfolgt durch das elektronische Datenverarbeitungssystem 210.

In einer Ausführungsform ist der Controller 512 dafür ausgelegt, mit dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 zu kommunizieren, um Streifenlichtmusterbilder von dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 zu erhalten. In noch einer weiteren Ausführungsform kann das auf das Objekt ausgestrahlte Muster durch das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 entweder automatisch oder in Reaktion auf eine Eingabe vom Bediener geändert werden. Dies kann Vorteile betreffend des Erhaltens von genaueren Messungen bei einer geringeren Verarbeitungszeit bieten, indem die Verwendung von Mustern, die einfacher zu decodieren sind, wenn es die Bedingungen zulassen, und die Verwendung der komplexeren Muster gestattet wird, wenn gewünscht ist, den gewünschten Genauigkeitsgrad oder Auflösungsgrad zu erreichen.

In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung 520 (12) ein Paar von Kameras 510. Die Kameras 510 sind in einem Winkel relativ zum Projektor 508 angeordnet, um reflektiertes Licht vom Objekt 501 zu empfangen. Die Verwendung von mehreren Kameras 510 kann bei manchen Anwendungen Vorteile dahingehend bieten, dass redundante Bilder bereitgestellt werden, um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen. Bei noch anderen Ausführungsformen können die redundanten Bilder gestatten, dass sequentielle Muster von der Vorrichtung 500 schnell erfasst werden, indem die Erfassungsgeschwindigkeit von Bildern durch abwechselndes Betreiben der Kamera 510 erhöht wird.

Nun mit Bezug auf die 13A und 13B wird der Betrieb der Streifenlichtvorrichtung 500 beschrieben. Die Vorrichtung 500 strahlt zunächst mit dem Projektor 508 auf die Oberfläche 524 des Objekts 501 ein Streifenlichtmuster 522 aus. Das Streifenlichtmuster 522 kann die Muster umfassen, die in dem Journalartikel „DLP-Based Structured Light 3D Imaging Technologies and Applications” von Jason Geng, veröffentlicht in „Proceedings of SPIE“, Band 7932, offenbart sind, der hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Das Streifenlichtmuster 522 kann ferner unter anderem eines der in den 14–32 gezeigten Muster umfassen. Das Licht 509 vom Projektor 508 wird von der Oberfläche 524 reflektiert und das reflektierte Licht 511 wird von der Kamera 510 empfangen. Es versteht sich, dass Änderungen an der Oberfläche 524, wie zum Beispiel der Vorsprung 526, Verzerrungen in dem Streifenmuster schaffen, wenn das Bild des Musters von der Kamera 510 erfasst wird. Da das Muster durch Streifenlicht gebildet wird, ist es in manchen Fällen möglich, dass der Controller 512 oder das elektronische Datenverarbeitungssystem 210 eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen den Pixeln in dem ausgestrahlten Muster, wie zum Beispiel das Pixel 513, und den Pixeln in dem abgebildeten Muster, wie zum Beispiel Pixel 515, bestimmen. Dies ermöglicht die Verwendung von Triangulationsgrundsätzen, um die Koordinaten eines jeden Pixels in dem abgebildeten Muster zu bestimmen. Die Erfassung von dreidimensionalen Koordinaten der Oberfläche 524 wird manchmal als eine Punkt-Cloud bezeichnet. Durch Bewegen der Vorrichtung 500 über die Oberfläche 524 kann eine Punkt-Cloud des gesamten Objekts 501 erzeugt werden. Es versteht sich, dass bei manchen Ausführungsformen das Koppeln der Vorrichtung 500 an das Sondenende Vorteile dahingehend bietet, dass die Position und Ausrichtung der Vorrichtung 500 dem elektronischen Datenverarbeitungssystem 210 bekannt sind, so dass die Position des Objekts 501 relativ zum Gelenkarm-KMG 100 auch festgestellt werden kann.

Um die Koordinaten des Pixels zu bestimmen, ist bekannt, dass der Winkel jedes projizierten Lichtstrahls 509, der das Objekt 522 in einem Punkt 527 schneidet, einem Projektionswinkel phi (Ф) entspricht, so dass Ф-Informationen in das ausgestrahlte Muster codiert werden. In einer Ausführungsform ist das System dafür ausgelegt, das Feststellen des Ф-Wertes entsprechend jedem Pixel in dem abgebildeten Muster zu ermöglichen. Ferner ist ein Winkel Omega (Ω) für jedes Pixel in der Kamera bekannt, ebenso wie der Grundlinienabstand “D” zwischen dem Projektor 508 und der Kamera. Daher ist der Abstand “Z" von der Kamera 510 zu der Stelle, die das Pixel abgebildet hat, entsprechend der Gleichung: ZD = sin(Φ)sin(Ω + Φ)(1)Somit können dreidimensionale Koordinaten für jedes Pixel in dem erfassten Bild berechnet werden.

Im Allgemeinen gibt es zwei Kategorien von Streifenlicht, nämlich codiertes und uncodiertes Streifenlicht. Eine übliche Form von uncodiertem Streifenlicht, wie in den 14–17 und 28–30 gezeigt ist, beruht auf einem gestreiften Muster, das periodisch entlang einer Dimension variiert. Diese Arten von Muster werden normalerweise in einer Sequenz angewandt, um einen ungefähren Abstand zum Objekt bereitzustellen. Einige Ausführungsformen von uncodierten Mustern, wie zum Beispiel die sinusförmigen Muster, können Messungen mit einer relativ hohen Genauigkeit bieten. Damit diese Arten von Muster wirksam sind, ist es jedoch normalerweise notwendig, dass die Scannervorrichtung und das Objekt relativ zueinander ortsfest gehalten werden. Wenn die Scannervorrichtung oder das Objekt in Bewegung sind (relativ zueinander), dann kann ein codiertes Muster, wie es in den 18–27 gezeigt ist, bevorzugt sein. Ein codiertes Muster gestattet die Analyse des Bilds unter Verwendung eines einzelnen erfassten Bilds. Einige codierte Muster können in einer besonderen Ausrichtung auf dem Projektormuster angeordnet werden (zum Beispiel senkrecht zu Epipolarlinien auf der Projektorebene), wodurch die Analyse der dreidimensionalen Oberflächenkoordinaten basierend auf einem einzelnen Bild vereinfacht wird.

Epipolarlinien sind mathematische Linien, die durch das Schneiden von Epipolarebenen und der Quellebene 517 oder der Bildebene 521 (der Ebene des Kamerasensors) in 13B gebildet werden. Eine Epipolarebene kann jede Ebene sein, die durch das Projektorperspektivitätszentrum 519 und das Kameraperspektivitätszentrum hindurchgeht. Die Epipolarlinien auf der Quellebene 517 und der Bildebene 521 können in manchen Fällen parallel sein, sind jedoch im Allgemeinen nicht parallel. Ein Aspekt von Epipolarlinien ist der, dass eine gegebene Epipolarlinie auf der Projektorebene 517 eine entsprechende Epipolarlinie auf der Bildebene 521 hat. Daher kann jedes besondere Muster, das auf einer Epipolarlinie in der Projektorebene 517 bekannt ist, sofort in der Bildebene 521 beobachtet und ausgewertet werden. Falls zum Beispiel ein codiertes Muster entlang einer Epipolarlinie in der Projektorebene 517 platziert wird, kann der Zwischenraum zwischen den codierten Elementen in der Bildebene 521 unter Verwendung der aus den Pixeln des Kamerasensors 510 ausgelesenen Werte bestimmt werden. Diese Informationen können verwendet werden, um die dreidimensionalen Koordinaten eines Punktes 527 auf dem Objekt 501 zu bestimmen. Es ist auch möglich, codierte Muster in einem bekannten Winkel in Bezug auf eine Epipolarlinie zu kippen und wirksam Objektoberflächenkoordinaten zu extrahieren. Beispiele für codierte Muster sind in den 20–29 gezeigt.

In Ausführungsformen mit einem periodischen Muster, wie ein sich sinusförmig wiederholendes Muster, stellt die sinusförmige Periode mehrere Musterelemente dar. Da es eine Vielfalt von periodischen Mustern in zwei Dimensionen gibt, sind die Musterelemente nicht-kollinear. In manchen Fällen kann ein gestreiftes Muster mit Streifen von variierender Breite ein codiertes Muster darstellen.

Nun mit Bezug auf die 14–17 sind Ausführungsformen von uncodierten Streifenlichtmustern gezeigt. Einige der Muster verwenden ein einfaches Muster vom Ein-Aus-(oder 1,0-)Typ und werden als binäre Muster bezeichnet. In manchen Fällen ist das binäre Muster eines, von dem bekannt ist, dass es eine besondere Sequenz aufweist, die als eine Gray-Code-Sequenz bezeichnet wird. Der Begriff Gray-Code, wie er auf dem Gebiet der dreidimensionalen Messtechnik basierend auf Streifenlicht verwendet wird, ist ein anderer als der Begriff, wie er auf dem Gebiet der Elektrotechnik verwendet wird, wo der Begriff Gray-Code üblicherweise das sequentielle Ändern jeweils eines einzelnen Bits bedeutet. Die vorliegende Anmeldung folgt der Verwendung des Begriffs Gray-Code, wie es auf dem Gebiet der dreidimensionalen Messtechnik üblich ist, wo der Gray-Code typischerweise eine Sequenz von binären Schwarz- und Weißwerten darstellt. 14A zeigt ein Beispiel für ein binäres Muster, welches mehrere sequentielle Bilder 530, 532, 534 jeweils mit einem anderen gestreiften Muster auf diesen umfasst. Normalerweise wechseln die Streifen zwischen hellen (beleuchteten) und dunklen (nicht beleuchteten) gestreiften Regionen ab. Manchmal werden die Begriffe weiß und schwarz verwendet, um beleuchtet bzw. nicht beleuchtet zu bezeichnen. Wenn somit die Bilder 530, 532, 534 sequentiell auf die Oberfläche 524 projiziert werden, wie es in 14B gezeigt ist, die ein zusammengesetztes Bild 536 zeigt. Es ist anzumerken, dass die unteren beiden Muster 535, 537 aus 14B in 14A der Deutlichkeit halber nicht veranschaulicht sind. Für jeden Punkt auf dem Objekt 501 (durch ein Kamerapixel in dem Bild dargestellt) hat das zusammengesetzte Muster 536 einen einzigartigen binären Wert, der durch die sequentielle Projektion von Mustern 530, 532, 534, 535, 537 erhalten wird, die einem relativ kleinen Bereich von möglichen Projektionswinkeln Ф entsprechen. Durch Verwendung dieser Projektionswinkel zusammen mit dem bekannten Pixelwinkel Ω für ein gegebenes Pixel und dem bekannten Grundlinienabstand D kann Äq. (1) herangezogen werden, um den Abstand Z von der Kamera zum Objektpunkt zu finden. Ein zweidimensionaler Winkel ist für jedes Kamerapixel bekannt. Der zweidimensionale Winkel entspricht im Allgemeinen dem eindimensionalen Winkel Omega, der bei der Berechnung des Abstands Z gemäß Äq. (1) verwendet wird. Eine von jedem Kamerapixel durch das Kameraperspektivitätszentrum gezogene Linie, die das Objekt in einem Punkt schneidet, definiert jedoch einen zweidimensionalen Winkel im Raum. Bei Kombination mit dem berechneten Wert Z bieten die beiden Pixelwinkel dreidimensionale Koordinaten entsprechend einem Punkt auf der Objektoberfläche.

In ähnlicher Weise kann, an Stelle eines binären Musters, eine sequentielle Reihe von Graumustern mit Streifen mit variierenden Graustufenwerten verwendet werden. Bei Verwendung in diesem Zusammenhang bezieht sich der Begriff Graustufe normalerweise auf einen Betrag der Bestrahlungsstärke an einem Punkt auf dem Objekt von weiß (maximales Licht) zu verschiedenen Graustufen (weniger Licht), bis zu schwarz (minimales Licht). Diese selbe Nomenklatur wird auch verwendet, wenn das projizierte Licht eine Farbe wie Rot hat, und die Graustufenwerte Stufen von roter Beleuchtung entsprechen. In einer Ausführungsform hat das Muster (15) mehrere Bilder 538, 540, 542 mit Streifen mit variierenden Lichtleistungsstufen, wie zum Beispiel Schwarz, Grau und Weiß, die verwendet werden, um ein ausgestrahltes Muster auf dem Objekt 501 zu erzeugen. Die Graustufenwerte können verwendet werden, um die möglichen Projektionswinkel Ф innerhalb eines relativ kleinen Bereichs von möglichen Werten zu bestimmen. Wie hier vorstehend besprochen, kann dann Äq. (1) verwendet werden, um den Abstand Z zu bestimmen.

In einer anderen Ausführungsform kann der Abstand Z zu einem Objektpunkt durch Messen einer Phasenverschiebung herausgefunden werden, die in mehreren Bildern beobachtet wird. Zum Beispiel variieren in einer in 16 gezeigten Ausführungsform die Graustufenintensitäten 546, 548, 550 eines Projektormusters 552 auf sinusförmige Weise, jedoch mit einer Phasenverschiebung zwischen projizierten Mustern. Zum Beispiel kann in dem ersten Projektormuster die Sinuskurven-Graustufen-Intensität 546 (die die Lichtleistung pro Flächeneinheit darstellt) an einem besonderen Punkt eine Phase von null Grad aufweisen. Im zweiten Projektormuster hat die Sinuskurven-Intensität 548 eine Phase von 120 Grad am selben Punkt. Im dritten Projektormuster kann die Sinuskurven-Intensität 550 eine Phase von 240 Grad am selben Punkt aufweisen. Dies ist so, als würde man sagen, dass das sinusförmige Muster bei jedem Schritt um ein Drittel einer Periode nach links (oder rechts) verschoben wird. Es wird ein Phasenverschiebungsverfahren verwendet, um eine Phase des projizierten Lichts an jedem Kamerapixel zu bestimmen, was die Notwendigkeit eliminiert, Informationen von angrenzenden Pixeln zu berücksichtigen, wie in dem Fall der einzelnen Aufnahme des codierten Musters. Es können viele Verfahren verwendet werden, um die Phase eines Kamerapixels zu bestimmen. Ein Verfahren beinhaltet das Ausführen einer Multiplikationsund Summierungsprozedur und dann das Heranziehen eines Arkustangens eines Quotienten. Dieses Verfahren ist dem durchschnittlichen Fachmann allgemein bekannt und wird nicht weiter besprochen. Außerdem hebt sich bei dem Phasenverschiebungsverfahren bei der Berechnung der Phase das Hintergrundlicht auf. Aus diesen Gründen ist der Wert Z, der für ein gegebenes Pixel berechnet wird, normalerweise genauer als der Wert Z, der unter Verwendung eines Verfahrens der einzelnen Aufnahme eines codierten Musters berechnet wird. Bei einer einzelnen Erfassung von sinusförmigen Mustern, wie diejenigen, die in 16 gezeigt sind, variieren alle berechneten Phasen von 0 bis 360 Grad. Bei einem besonderen Streifenlicht-Triangulationssystem können diese berechneten Phasen ausreichend sein, falls die “Dicke” des geprüften Objekts nicht allzu sehr schwankt, da der Winkel für jeden projizierten Streifen im Voraus bekannt ist. Falls das Objekt jedoch zu dick ist, kann eine Vieldeutigkeit zwischen der für ein besonderes Pixel berechneten Phase auftreten, da dieses Pixel vielleicht von dem ersten projizierten Lichtstrahl, welches an einer ersten Position auf das Objekt trifft, oder einem zweiten projizierten Lichtstrahl, der an einer zweiten Position auf das Objekt trifft, erhalten wurde. Mit anderen Worten können, falls es eine Möglichkeit gibt, dass die Phase um mehr als 2π Radianten für jedes Pixel in der Kameraanordnung variieren kann, die Phasen vielleicht nicht richtig decodiert werden und die gewünschte Eins-zu-Eins-Entsprechung wird nicht erreicht.

17A zeigt eine Sequenz 1–4 von projizierten Gray-Code-Intensitäten 554 gemäß einem Verfahren, durch welches die Vieldeutigkeit bei dem Abstand Z basierend auf einer berechneten Phase eliminiert werden kann. Eine Sammlung von Gray-Code-Mustern wird sequentiell auf das Objekt projiziert. In dem gezeigten Beispiel gibt es vier sequentielle Muster, die auf der linken Seite von 554 in 17A durch 1, 2, 3, 4 angedeutet sind. Das sequentielle Muster 1 ist dunkel (schwarz) in der linken Hälfte des Musters (Elemente 0–15) und hell (weiß) in der rechten Hälfte des Musters (Elemente 16–31). Das sequentielle Muster 2 hat ein dunkles Band zur Mitte hin (Elemente 8–23) und helle Bänder zu den Kanten hin (Elemente 2–7, 24–31). Das sequentielle Muster 3 hat zwei getrennte helle Bänder in der Nähe der Mitte (Elemente 4–11, 20–27) und drei helle Bänder (Elemente 0–3, 12–19, 28–31). Das sequentielle Muster 4 hat vier getrennte dunkle Bänder (Elemente 2–5, 10–13, 18–21, 26–29) und fünf getrennte helle Bänder (Elemente 0–1, 6–9, 14–17, 22–25, 30–31). Für jedes gegebene Pixel in der Kamera gestattet diese Sequenz von Mustern eine Verbesserung des “Objekt-Dickenbereichs” des Objekts um einen Faktor 16 im Vergleich zu einem anfänglichen Objekt-Dickenbereich entsprechend allen Elementen 0 bis 31.

In einem weiteren Verfahren 556, das in 17C veranschaulicht ist, wird ein Phasenverschiebungsverfahren ähnlich dem Verfahren aus 16 ausgeführt. In der in 17C gezeigten Ausführungsform wird ein Muster 556A während vier sinusförmigen Perioden auf ein Objekt projiziert. Aus hier vorstehend besprochenen Gründen kann es eine Vieldeutigkeit bei einem Abstand Z zu einem Objekt unter Verwendung des Musters aus 17C geben. Eine Möglichkeit, die Vieldeutigkeit zu verringern oder zu eliminieren besteht darin, ein oder mehr zusätzliche sinusförmige Muster 556B, 556C zu projizieren, wobei jedes Muster eine andere Streifenperiode (Abstand) hat. So wird zum Beispiel in 17B ein zweites sinusförmiges Muster 555 mit drei Streifenperioden an Stelle von vier Streifenperioden auf ein Objekt projiziert. In einer Ausführungsform kann die Differenz bei den Phasen für die beiden Muster 555, 556 verwendet werden, um dazu beizutragen, eine Vieldeutigkeit beim Abstand Z zum Ziel zu eliminieren.

Ein weiteres Verfahren zur Eliminierung der Vieldeutigkeit besteht darin, eine andere Art von Verfahren zu verwenden, wie zum Beispiel das Gray-Code-Verfahren aus 17A, um die Vieldeutigkeit bei den Abständen Z zu eliminieren, die unter Verwendung des sinusförmigen Phasenverschiebungsverfahrens berechnet wurden.

Bei Anwendungen, bei denen das Objekt und die Vorrichtung 500 sich relativ zueinander bewegen, kann es wünschenswert sein, ein einzelnes Muster zu verwenden, dass es der Kamera 510 gestattet, ein Bild zu erfassen, welches ausreichend Informationen bereitstellt, um die dreidimensionalen Kennzeichen des Objekts 501 zu messen, ohne sequentielle Bilder projizieren zu müssen. Nun mit Bezug auf die 18 und 19 haben die Muster 558, 566 eine Verteilung von Farben, die in manchen Fällen die Messung des Objekts basierend auf einem einzelnen (codierten) Bild gestattet. In der Ausführungsform aus 18 verwendet das Muster 558 Linien mit einer kontinuierlich räumlich variierenden Wellenlänge von Licht, um ein Muster zu schaffen, in dem sich die Farbe kontinuierlich zum Beispiel von Blau zu Grün zu Gelb zu Rot zu Fuchsia ändert. Somit kann für jede besondere spektrale Wellenlänge eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen dem ausgestrahlten Bild und dem abgebildeten Muster erfolgen. Mit der hergestellten Entsprechung können die dreidimensionalen Koordinaten des Objekts 501 anhand eines einzelnen abgebildeten Musters bestimmt werden. In einer Ausführungsform sind die Streifen des Musters 558 senkrecht zu den Epipolarlinien auf der Projektorebene ausgerichtet. Da die Epipolarlinien auf der Projektorebene in Epipolarlinien auf der Kamerabildebene abbilden, ist es möglich, eine Assoziation zwischen Projektorpunkten und Kamerapunkten durch Bewegen entlang der Richtung von Epipolarlinien in der Kamerabildebene zu erhalten und in jedem Fall die Farbe der Linie zu notieren. Es versteht sich, dass jedes Pixel in der Kamerabildebene einem zweidimensionalen Winkel entspricht. Die Farbe gestattet die Bestimmung der Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen besonderen Projektionswinkeln und besonderen Kamerawinkeln. Diese Entsprechungsinformationen, kombiniert mit dem Abstand zwischen der Kamera und dem Projektor (der Grundlinienabstand D) und den Winkeln der Kamera und des Projektors relativ zur Grundlinie, reichen aus, um die Bestimmung des Abstands Z von der Kamera zum Objekt zu ermöglichen.

Eine weitere Ausführungsform unter Verwendung von Farbmustern ist in 19 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform werden mehrere Farbmuster mit variierenden Intensitäten 560, 562, 564 kombiniert, um ein Farbmuster 566 zu schaffen. Bei einer Ausführungsform sind die mehreren Farbmuster-Intensitäten 560, 562, 564 Primärfarben, so dass das Muster 560 die Intensität der Farbe Rot variiert, das Muster 562 die Intensität der Farbe Grün variiert und das Muster 564 die Intensität der Farbe Blau variiert. Da die Farbverhältnisse bekannt sind, hat das resultierende ausgestrahlte Bild eine bekannte Beziehung, die in dem abgebildeten Muster decodiert werden kann. Wie bei der Ausführungsform aus 18 können, sobald die Entsprechung festgestellt wurde, die dreidimensionalen Koordinaten des Objekts 501 bestimmt werden. Anders als beim Muster aus 18, bei dem ein einzelner Zyklus von einzigartigen Farben projiziert wird, projiziert das Muster aus 19 drei komplette Zyklen von nahezu identischen Farben. Bei dem Muster von 18 gibt es eine geringe Möglichkeit der Vieldeutigkeit beim gemessenen Abstand Z (zumindest für den Fall, in dem die projizierten Linien senkrecht zu Epipolarlinien sind), da jedes Kamerapixel eine besondere Farbe erkennt, die allein einer besonderen Projektionsrichtung entspricht. Da der Kamerawinkel und die Projektionswinkel bekannt sind, kann die Triangulation verwendet werden, um die dreidimensionalen Objektkoordinaten an jeder Pixelposition unter Verwendung nur eines einzelnen Kamerabildes zu bestimmen. Damit kann das Verfahren aus 18 als ein codiertes Verfahren mit einer Aufnahme betrachtet werden. Im Gegensatz dazu gibt es in 19 eine Möglichkeit der Vieldeutigkeit beim Abstand Z zu einem Objektpunkt. Falls zum Beispiel die Kamera eine Farbe Lila sieht, kann der Projektor einen von drei verschiedenen Winkeln projiziert haben. Basierend auf der Triangulationsgeometrie sind drei verschiedene Abstände Z möglich. Falls im Voraus bekannt ist, dass die Dicke des Objekts innerhalb eines relativ kleinen Wertebereichs liegt, dann kann es möglich sein, zwei der Werte zu eliminieren, wodurch dreidimensionale Koordinaten in einer einzelnen Aufnahme erhalten werden. Im allgemeinen Fall wäre es jedoch notwendig, zusätzliche projizierte Muster zu verwenden, um die Vieldeutigkeit zu eliminieren. Zum Beispiel kann die räumliche Periode des Farbmusters geändert und dann verwendet werden, um das Objekt ein zweites Mal zu beleuchten. In diesem Fall wird dieses Verfahren von projiziertem Streifenlicht als ein sequentielles Verfahren und nicht ein codiertes Verfahren mit einer Aufnahme angesehen.

Nun mit Bezug auf die 20–23 sind codierte Streifenlichtmuster für eine einzelne Bildaufnahme basierend auf einer Streifenindexiertechnik gezeigt. In den Ausführungsformen aus 20 und 21 werden Muster mit Farbstreifen 568, 570 von dem Projektor 508 ausgestrahlt. Diese Technik nutzt eine Charakteristik von Bildsensoren, wobei der Sensor drei unabhängige Farbekanäle aufweist, wie zum Beispiel Rot, Grün, Blau oder Cyan, Gelb, Magenta. Die Kombinationen der durch diese Sensorkanäle erzeugten Werte können eine große Zahl von Farbmustern ergeben. Wie bei der Ausführungsform aus 19 ist das Verhältnis der Farbverteilung bekannt, daher kann die Beziehung zwischen den ausgestrahlten Mustern und dem abgebildeten Muster bestimmt und können die dreidimensionalen Koordinaten berechnet werden. Noch weitere Arten von Farbmustern können verwendet werden, wie ein auf der De-Bruijn-Sequenz basierendes Muster. Die Streifenindexiertechniken und die De-Bruijn-Sequenz sind dem durchschnittlichen Fachmann allgemein bekannt und werden daher nicht weiter besprochen.

Bei den Ausführungsformen der 22 und 23 wird eine Streifenindexiertechnik ohne Farbe verwendet. Bei der Ausführungsform aus 22 stellt das Muster 572 Gruppen von Streifen mit mehreren Intensitätspegeln (Graustufenpegeln) und unterschiedlichen Breiten bereit. Infolgedessen hat eine besondere Gruppe von Streifen innerhalb des Gesamtbildes ein einzigartiges Graustufenmuster. Auf Grund der Einzigartigkeit der Gruppen kann eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen dem ausgestrahlten Muster und dem abgebildeten Muster bestimmt werden, um die Koordinaten des Objekts 501 zu berechnen. Bei der Ausführungsform aus 23 stellt das Muster 574 eine Reihe von Streifen mit einem segmentierten Muster bereit. Da jede Linie eine einzigartige Segmentgestaltung aufweist, kann die Entsprechung zwischen dem ausgestrahlten Muster und dem abgebildeten Muster bestimmt werden, um die Koordinaten des Objekts 501 zu berechnen. In den 20–23 können zusätzliche Vorteile erreicht werden durch Ausrichten der projizierten Linien 572, 574 senkrecht zu Epipolarlinien, so dass in der Kameraebene, da dies die Bestimmung einer zweiten Dimension beim Auffinden der Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen Kamera und Projektormustern erleichtert.

Nun sind mit Bezug auf die 24–27 codierte Streifenlichtmuster gezeigt, die eine zweidimensionale Raumgittermustertechnik verwenden. Diese Mustertypen sind so angeordnet, dass ein Unterfenster, wie zum Beispiel das Fenster 576 auf dem Muster 578, relativ zu anderen Unterfenstern innerhalb des Musters einzigartig ist. Bei der Ausführungsform aus 24 wird ein binär strukturiertes Pseudo-Zufalls-Muster 578 verwendet. Das Muster 578 verwendet ein Gitter mit Elementen, wie zum Beispiel Kreisen 579, die das codierte Muster bilden. Es versteht sich, dass auch Elemente mit anderen geometrischen Formen verwendet werden können, wie unter anderem zum Beispiel Quadrate, Rechtecke und Dreiecke. Bei der Ausführungsform aus 25 ist ein Muster 580 einer mehrwertigen Pseudo-Zufalls-Struktur gezeigt, wobei jeder der numerischen Werte eine zugewiesene Form 582 hat. Diese Formen 582 bilden ein einzigartiges Unterfenster 584, welches eine Entsprechung zwischen dem ausgestrahlten Muster und dem abgebildeten Muster ermöglicht, um die Koordinaten des Objekts 501 zu berechnen. Bei der Ausführungsform aus 26 ist das Gitter 586 mit Streifen senkrecht zur Projektorebene farbcodiert. Das Muster aus 26 stellt nicht unbedingt ein Muster bereit, das in einer einzelnen Aufnahme decodiert werden kann, sondern die Farbinformationen können dazu beitragen, die Analyse zu vereinfachen. Bei der Ausführungsform aus 27 wird eine Struktur 588 von gefärbten Formen, wie zum Beispiel Quadraten oder Kreisen, verwendet, um das Muster zu bilden.

Nun mit Bezug auf die 28A–28B ist ein beispielhaftes sinusförmiges Muster 720 gezeigt. In einer Ausführungsform sind die Linien 734 senkrecht zu Epipolarlinien auf der Projektorebene. Das sinusförmige Muster 720 besteht aus dreißig Linien 722, die einmal wiederholt werden, um eine Gesamtzahl von Linien 722 von sechzig zu erhalten. Jede Linie 722 hat ein sinusförmiges Merkmal 723, das etwa 180 Grad außer Phase mit der darüberliegenden Linie und der darunterliegenden Linie ist. Dies dient dazu, dass die Linien 722 möglichst nahe beieinander liegen können, und es gestattet auch eine größere Schärfentiefe, da die Linien auf der projizierten Oberfläche oder dem erfassten Bild unscharf werden können und trotzdem noch erkannt werden. Jede einzelne Linie 722 kann eindeutig unter Verwendung nur der Phase dieser Linie decodiert werden, wobei die Linienlänge mindestens eine Wellenlänge der Sinuskurve betragen muss.

Da das Muster 720 wiederholt wird, würde es im Allgemeinen Vieldeutigkeiten bei der Linienidentifizierung verursachen. Dieses Problem wird jedoch bei diesem System durch die Geometrie des Gesichtsfelds und der Schärfentiefe der Kamera gelöst. Für eine einzelne Ansicht der Kamera, d. h. eine Reihe von Pixeln, innerhalb der Schärfentiefe, in der die Linien optisch aufgelöst werden können, können nicht zwei Linien mit derselben Phase abgebildet werden. Zum Beispiel kann die erste Reihe von Pixeln auf der Kamera nur reflektiertes Licht von den Linien 1–30 des Musters empfangen. Dahingegen empfängt weiter unten am Kamerasensor eine weitere Reihe nur reflektiertes Licht von den Linien 2–31 des Musters usw. In 28B ist ein vergrößerter Abschnitt des Musters 720 von drei Linien gezeigt, wobei die Phase zwischen aufeinanderfolgenden Linien 722 in etwa 180° beträgt. Es ist auch gezeigt, wie die Phase jeder einzelnen Linie ausreicht, um die Linien eindeutig zu decodieren.

Nun mit Bezug auf die 29A–29B ist ein weiteres Muster 730 mit rechteckigen Musterelementen gezeigt. In einer Ausführungsform sind die Linien 732 senkrecht zu Epipolarlinien auf der Projektorebene. Das rechteckige Muster 730 enthält 27 Linien 732, bevor das Muster 730 wiederholt wird, und hat eine Gesamtzahl von Linien von 59. Die Codeelemente 734 des Musters 730 werden durch die Phase der Rechteckwelle von links nach rechts in 29B unterschieden.Das Muster 730 wird so verschlüsselt, dass eine Gruppe von sequentiellen Linien 732 durch die relativen Phasen ihrer Elemente unterschieden wird. Innerhalb des Bildes werden sequentielle Linien durch vertikales Abtasten der Linien gefunden. Bei einer Ausführungsform bedeutet das vertikale Abtasten das Abtasten entlang Epipolarlinien in der Kamerabildebene. Sequentielle Linien innerhalb einer vertikalen Kamerapixelsäule werden gepaart und ihre relativen Phasen bestimmt. Vier sequentielle gepaarte Linien sind erforderlich, um die Gruppe von Linien zu decodieren und diese innerhalb des Musters 730 zu lokalisieren. Es besteht auch eine Vieldeutigkeit bei diesem Muster 730 aufgrund der Wiederholung, aber dies wird auch auf ähnliche Weise wie vorstehend in Bezug auf das sinusförmige Muster 720 besprochen gelöst. 29B zeigt eine vergrößerte Ansicht von vier Linien 732 des rechteckigen Musters. Diese Ausführungsform zeigt, dass die Phase einer einzelnen Linie 732 alleine nicht in der Lage ist, eine Linie eindeutig zu decodieren, da die erste und die dritte Linie die gleiche absolute Phase aufweisen.

Dieser Ansatz zur Codierung der relativen Phasen gegenüber den absoluten Phasen bietet Vorteile dahingehend, dass es eine höhere Toleranz für die Positionen der Phasen gibt. Kleinere Fehler beim Aufbau des Projektors, die bewirken können, dass die Phasen der Linien durch die gesamte Schärfentiefe der Kamera verschoben werden, sowie Fehler aufgrund der Projektor- und Kameralinsen erschweren es enorm, eine absolute Phase zu bestimmen. Dies kann bei dem Verfahren der absoluten Phase überwunden werden, indem die Periode vergrößert wird, so dass sie ausreichend groß ist, um den Fehler bei der Bestimmung der Phase zu überwinden.

Es versteht sich, dass für den Fall eines zweidimensionalen Musters, das ein codiertes Lichtmuster projiziert, die drei nicht-kollinearen Musterelemente auf Grund ihrer Codes erkennbar sind, und da sie in zwei Dimensionen projiziert werden, sind die mindestens drei Musterelemente nicht-kollinear. Für den Fall des periodischen Musters, wie das sich sinusförmig wiederholende Muster, stellt jede sinusförmige Periode mehrere Musterelemente dar. Da es eine Vielzahl von periodischen Mustern in zwei Dimensionen gibt, sind die Musterelemente nicht-kollinear. Im Gegensatz dazu liegen, in dem Fall des Laserlinienscanners, der eine Lichtlinie ausstrahlt, alle Musterelemente auf einer geraden Linie. Obwohl die Linie eine Breite aufweist und der hintere Teil des Querschnitts der Linie eine geringere Lichtleistung haben kann als die Spitze des Signals, werden diese Aspekte der Linie bei der Feststellung von Oberflächenkoordinaten eines Objekts nicht getrennt bewertet und stellen daher keine separaten Musterelemente dar. Obwohl die Linie mehrere Musterelemente enthalten kann, sind diese Musterelemente kollinear.

Ferner können die verschiedenen Mustertechniken wie in den 30–31 gezeigt kombiniert werden, um entweder ein binäres (30) uncodiertes Schachbrettmuster 590 oder ein farbiges (31) uncodiertes Schachbrettmuster 592 zu bilden. Bei noch einer weiteren Ausführungsform, die in 32 gezeigt ist, kann eine photometrische Stereotechnik verwendet werden, wobei mehrere Bilder 594 auf dem Objekt 501 aufgenommen werden, wobei die Lichtquelle 596 an mehrere Stellen bewegt wird.

Nun mit Bezug auf 33 ist eine weitere Ausführungsform eines Systems 700 zur Erfassung von dreidimensionalen Koordinaten eines Objekts 702 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist die Vorrichtung 704 unabhängig bedienbar, wenn sie von dem Gelenkarm-KMG 100 abgenommen ist. Die Vorrichtung 704 umfasst einen Controller 706 und möglicherweise eine Anzeige 708. Die Anzeige 708 kann in das Gehäuse der Vorrichtung 704 integriert oder eine separate Komponente sein, die an die Vorrichtung 704 gekoppelt wird, wenn sie unabhängig von dem Gelenkarm-KMG 100 verwendet wird. Bei Ausführungsformen, bei denen die Anzeige 708 von der Vorrichtung 704 abnehmbar ist, kann die Anzeige 708 einen (nicht gezeigten) Controller umfassen, der eine zusätzliche Funktionalität bereitstellt, um einen unabhängigen Betrieb der Vorrichtung 704 zu erleichtern. Bei einer Ausführungsform ist der Controller 706 innerhalb der abnehmbaren Anzeige angeordnet.

Der Controller 706 umfasst eine Kommunikationsschaltung, die dafür gestaltet ist, Daten, wie Bilder oder Koordinatendaten, über eine Kommunikationsverbindung 712 drahtlos an das Gelenkarm-KMG 100, an eine separate Recheneinheit 710 oder eine Kombination von beiden zu übertragen. Die Rechenvorrichtung 710 kann unter anderem zum Beispiel ein Computer, ein Laptop, ein Tablet-Computer, ein Personal Digital Assistant (PDA) oder ein Mobiltelefon sein. Die Anzeige 708 kann es dem Bediener ermöglichen, die erfassten Bilder oder die Punkt-Cloud von erfassten Koordinaten des Objekts 702 zu sehen. Bei einer Ausführungsform decodiert der Controller 706 die Muster in dem erfassten Bild, um die dreidimensionalen Koordinaten des Objekts zu bestimmen. Bei einer anderen Ausführungsform werden die Bilder von der Vorrichtung 704 erfasst und entweder an das Gelenkarm-KMG 100, die Rechenvorrichtung 710 oder eine Kombination von beiden übertragen.

Die Vorrichtung 704 kann ferner einen Lagevorrichtungsaufbau 714 umfassen. Der Lagevorrichtungsaufbau kann einen oder mehrere Trägheit-Navigationssensor(en), wie einen GPS-Sensor (Global Positioning System), einen gyroskopischen oder Kreiselsensor oder einen Beschleunigungsmess-Sensor umfassen. Solche Sensoren können elektrisch an den Controller 706 angeschlossen sein. Kreisel- und Beschleunigungsmess-Sensoren können Einachsen- oder Mehrachsen-Vorrichtungen sein. Der Lagevorrichtungsaufbau 714 ist dafür ausgestaltet, es dem Controller 706 zu gestatten, die Ausrichtung der Vorrichtung 704 zu messen oder beizubehalten, wenn sie von dem Gelenkarm-KMG 100 abgenommen ist. Ein Gyroskop innerhalb des Lagevorrichtungsaufbaus 714 kann eine gyroskopische MEMS-Vorrichtung, eine Festkörper-Ringlaser-Vorrichtung, eine faseroptische Gyroskopvorrichtung oder eine andere Art sein.

Wenn die Vorrichtung 704 von dem Gelenkarm-KMG 100 abgenommen wird, wird ein Verfahren verwendet, um Bilder, die von mehreren Abtastvorgängen erhalten wurden, zu kombinieren. Bei einer Ausführungsform werden die Bilder jeweils durch Verwendung von codierten Mustern erhalten, so dass nur ein einzelnes Bild erforderlich ist, um dreidimensionale Koordinaten zu erhalten, die einer besonderen Position und Ausrichtung der Vorrichtung 704 zugeordnet sind. Eine Möglichkeit, mehrere von der Vorrichtung 704 erfasste Bilder zu kombinieren, besteht darin, zumindest eine gewisse Überlappung zwischen angrenzenden Bildern bereitzustellen, so dass Punkt-Cloud-Merkmale angepasst werden können. Diese Anpassungsfunktion kann durch die Trägheit-Navigationsvorrichtungen, die vorstehend beschrieben wurden, unterstützt werden.

Ein weiteres Verfahren, das verwendet werden kann, um die genaue Registrierung von Bildern, die von der Vorrichtung 704 aufgenommen werden, zu unterstützen, ist die Verwendung von Bezugsmarkern. Bei einer Ausführungsform sind die Bezugsmarker kleine Marker mit einem haftenden oder klebenden Träger, zum Beispiel kreisförmige Marker, die auf einem zu messenden Objekt oder auf Objekten platziert werden. Es kann sogar eine relativ kleine Zahl solcher Marker bei der Registrierung von mehreren Bildern nützlich sein, insbesondere, wenn das gemessene Objekt eine relativ kleine Zahl von Merkmalen zur Verwendung für die Registrierung aufweist. Bei einer Ausführungsform können die Bezugsmarker als Lichtpunkte auf das zu untersuchende Objekt oder die Objekte projiziert werden. Zum Beispiel kann ein kleiner tragbarer Projektor, der mehrere kleine Punkte ausstrahlen kann, vor dem zu messenden Objekt oder den Objekten platziert werden. Ein Vorteil von projizierten Punkten gegenüber klebrigen Punkten besteht darin, dass die Punkte nicht angebracht und später wieder entfernt werden müssen.

Bei einer Ausführungsform projiziert die Vorrichtung das Streifenlicht über einen zusammenhängenden und eingeschlossenen Bereich 716 und kann ein Bild über den Bereich 716 in einem Bereich von 100 mm bis 300 mm mit einer Genauigkeit von 35 Mikrometern erfassen. Bei einer Ausführungsform beträgt der senkrechte Projektionsbereich 716 in etwa 150–200 mm². Bei der Kamera oder den Kameras 510 kann es sich um eine digitale Kamera mit einem 1,2–5,0-Megapixel-CMOS- oder CCD-Sensor handeln.

Bezugnehmend auf 28 und 29 wird das Verfahren des Decodierens eines codierten Musters beschrieben. Der erste Schritt beim Decodieren eines Bildes des Musters besteht darin, die Schwerpunkte (centers of gravity, cog) 724 (28C) der Merkmale des projizierten Musters 720 in der Y-Richtung zu extrahieren. Dies erfolgt durch Berechnen eines gleitenden Durchschnitts der Pixel-Graustufenwerte und bei der Bewegung in Y-Richtung nach unten durch das Verarbeiten jeweils einer einzelnen Säule. Wenn ein Pixelwert in einem Bild über den gleitenden Durchschnittswert kommt, ist ein Ausgangspunkt für ein Merkmal gefunden. Nachdem ein Ausgangspunkt gefunden wurde, nimmt die Breite des Merkmals weiterhin zu, bis ein Pixelwert unterhalb des gleitenden Durchschnittswertes fällt. Dann wird unter Verwendung der Pixelwerte und ihrer Y-Positionen zwischen dem Ausgangspunkt und dem Endpunkt ein gewichteter Durchschnitt berechnet, um den cog 724 des Mustermerkmals 723 in dem Bild zu ergeben. Die Abstände zwischen dem Ausgangs- und dem Endpunkt werden auch zur späteren Verwendung aufgezeichnet.

Die resultierenden cogs 724 werden als nächstes verwendet, um die Musterlinien 722 zu finden. Dies erfolgt durch Bewegen von links nach rechts (gesehen von der in den Figuren gezeigten Richtung), beginnend mit der ersten Säule des Bildes. Bei jedem cog 724 in dieser Säule wird die benachbarte Säule unmittelbar rechts nach einem cog 724 abgesucht, der innerhalb eines bestimmten Abstands liegt. Wenn zwei passende cogs 724 gefunden wurden, wurde eine potentielle Linie bestimmt. Während der Prozess über das Bild fortbewegt wir, werden mehr neue Linien bestimmt und andere zuvor bestimmte Linien werden verlängert, wenn zusätzliche cogs 724 innerhalb der Toleranz gefunden werden. Sobald das gesamte Bild verarbeitet worden ist, wird auf die extrahierten Linien ein Filter angewendet, um sicherzustellen, dass nur Linien einer gewünschten Länge, welche der Wellenlänge des Musters entspricht, in den übrigen Schritten verwendet werden. 28C zeigt auch die erkannten Linien, wobei sie alle länger sind als eine einzelne Wellenlänge des Musters. Bei einer Ausführungsform gibt es kein oder ein kleines Delta zwischen den cogs benachbarter Säulen.

Der nächste Schritt im Decodierungsprozess besteht darin, die projizierten Mustermerkmale entlang der Linien in der X-Richtung in Form von Blockzentren zu extrahieren. Jedes Muster enthält sowohl breite Blöcke als auch schmale Blöcke. In dem sinusförmigen Muster 720 betrifft dies die Gipfel und Täler der Welle, und in dem rechteckigen Muster 730 betrifft dies die breiten Rechtecke und die schmalen Rechtecke. Dieser Prozess fährt ähnlich wie bei der Extraktion der Merkmale in der Y-Richtung fort, jedoch wird auch der gleitende Durchschnitt unter Verwendung der in der ersten Stufe gefundenen Breiten berechnet, und die Bewegungsrichtung verläuft entlang der Linie. Wie vorstehend beschrieben wurde, werden die Merkmale in dem Bereich extrahiert, in dem Breiten über dem gleitenden Durchschnittswert liegen, aber in diesem Prozess werden Merkmale auch in den Bereichen extrahiert, in denen die Breiten unterhalb des gleitenden Durchschnitts liegen. Die Breiten und die X-Positionen werden verwendet, um einen gewichteten Durchschnitt zu berechnen, um das Zentrum des Blocks 726 in der X-Richtung herauszufinden. Die Y-Positionen der cogs 724 zwischen Kreuzungspunkten von gleitenden Durchschnitten werden auch verwendet, um ein Zentrum für den Block 726 in der Y-Richtung zu berechnen. Dies erfolgt durch Heranziehen des Durchschnitts der Y-Koordinaten der cogs. Der Ausgangs- und Endpunkt jeder Linie werden auch basierend auf den in diesem Schritt extrahierten Merkmalen modifiziert, um sicherzustellen, dass beide Punkte dort liegen, wo der Kreuzungspunkt der gleitenden Durchschnitte auftritt. Bei einer Ausführungsform werden bei den späteren Verarbeitungsschritten nur komplette Blöcke verwendet.

Die Linien und Blöcke werden dann weiterverarbeitet, um sicherzustellen, dass der Abstand zwischen den Blockzentren 726 auf jeder Linie innerhalb einer vorbestimmten Toleranz liegt. Dies erfolgt durch Heranziehen des Deltas zwischen den X-Zentrumpositionen zwischen zwei benachbarten Blöcken auf einer Linie und Überprüfung, dass das Delta unterhalb der Toleranz liegt. Falls das Delta oberhalb der Toleranz liegt, wird die Linie in kleinere Linien gebrochen. Falls der Bruch zwischen den letzten beiden Blöcken auf einer Linie erforderlich ist, wird der letzte Block entfernt und keine zusätzliche Linie erzeugt. Falls der Bruch zwischen dem ersten und zweiten oder dem zweiten und dritten Block auf einer Linie erforderlich ist, werden die Blöcke links des Bruchs auch verworfen und keine zusätzliche Linie wird erzeugt. Bei Situationen, in denen der Bruch an einer anderen Stelle entlang der Linie auftritt, wird die Linie in zwei Linien gebrochen und es wird eine neue Linie erzeugt und die passenden Blöcke werden auf diese übertragen. Nach dieser Verarbeitungsstufe erfordern die beiden Muster verschiedene Schritte, um die Decodierung abzuschließen.

Das sinusförmige Muster 720 kann nun mit einem zusätzlichen Schritt der Verarbeitung unter Verwendung der Blockzentren auf den Linien decodiert werden. Der Modul eines jeden Block-X-Zentrums und die Wellenlänge des Musters 720 auf einer Linie 722 werden berechnet und der Durchschnitt dieser Werte ergibt die Phase der Linie 722. Die Phase der Linie 722 kann dann verwendet werden, um die Linie in dem Muster 720 zu decodieren, was wiederum die Bestimmung einer X, Y, Z-Koordinatenposition für alle cogs 724 auf dieser Linie 722 gestattet.

Bevor das quadratische Muster 730 decodiert wird, werden zunächst Linien 732 vertikal verbunden, bevor irgendeine Decodierung stattfinden kann. Dies ermöglicht die Identifizierung einer Gruppe von Linien und nicht nur einer einzelnen Linie, wie das sinusförmige Muster. Es werden unter Verwendung der Blöcke 734 und der cogs, die in dem in der ersten Verarbeitungsstufe berechneten Block enthalten sind, Verbindungen 736 zwischen Linien 732 gefunden. Der erste cog in jedem Block auf einer Linie 732 wird geprüft, um herauszufinden, ob es einen anderen cog unmittelbar unterhalb von diesem in derselben Säule gibt. Wenn kein cog unterhalb vorliegt, gibt es keine Verbindung mit einer anderen Linie an diesem Punkt, somit wird die Verarbeitung fortgesetzt. Wenn ein cog unterhalb vorliegt, wird der Y-Abstand zwischen den beiden cogs bestimmt und mit einem gewünschten maximalen Abstand zwischen Linien verglichen. Falls der Abstand kleiner als dieser Wert ist, werden die beiden Linien als an diesem Punkt verbunden angesehen, und die Verbindung 736 wird gespeichert und die Verarbeitung fährt mit dem nächsten Block fort. Bei einer Ausführungsform ist eine Linienverbindung 736 einzigartig, so dass keine zwei Linien mehr als eine Verbindung 736 zwischen sich aufweisen.

Der nächste Schritt der Verarbeitung des rechteckigen Musters 730 besteht in der Phasenberechnung zwischen verbundenen Linien. Jedes Paar von Linien 732 wird zunächst verarbeitet, um die Länge der Überlappung zwischen diesen zu bestimmen. Bei einer Ausführungsform gibt es mindestens eine überlappende Wellenlänge zwischen dem Paar von Linien, um die Berechnung der relativen Phase zu gestatten. Falls die Linien die gewünschte Überlappung aufweisen, wird der cog am Zentrum des Überlappungsbereichs ermittelt. Die Blöcke 738, die den Zentrum-cog und den cog direkt unterhalb enthalten, werden bestimmt, und die relative Phase zwischen den Block-X-Zentren wird für diese Linienverbindung berechnet. Dieser Prozess wird für alle Verbindungen zwischen Linien wiederholt. Bei einer Ausführungsform wird der Prozess nur in der Abwärtsrichtung auf der Y-Achse wiederholt. Der Grund hierfür ist, dass der Code auf Bindungen unterhalb Linien basiert, und nicht umgekehrt oder beides. 29C zeigt die Blöcke 738, die zur Berechnung der relativen Phase für diesen Satz von Linien verwendet werden könnten. Die relativen Phasen in der Ausführungsform aus 29C sind 3,1 und 2, und diese Phasen würden in der letzten Stufe verwendet, um die obere Linie zu decodieren.

Der nächste Schritt bei der Decodierung des rechteckigen Musters 730 besteht in der Ausführung eines Nachschlagens unter Verwendung der in dem vorausgehenden Schritt berechneten relativen Phasen. Jede Linie 732 wird durch Nachverfolgen der Linienverbindungen 736 verarbeitet, bis eine Verbindungstiefe von vier erreicht ist. Diese Tiefe wird verwendet, da dies die Anzahl an Phasen zur Decodierung der Linie ist. Auf jeder Ebene der Verbindung wird unter Verwendung der relativen Phase zwischen den Linien 732 ein Hash bestimmt. Wenn die erforderliche Verbindungstiefe erreicht ist, wird der Hash verwendet, um den Liniencode nachzuschlagen. Wenn der Hash einen gültigen Code ausgibt, wird dieser aufgezeichnet und in einem Abstimmsystem gespeichert. Jede Linie 732 wird auf diese Weise verarbeitet und alle Verbindungen, die die gewünschte Tiefe aufweisen, werden verwendet, um eine Stimme zu generieren, wenn sie eine gültige Phasenkombination sind. Der letzte Schritt besteht dann darin, herauszufinden, welcher Code die meisten Stimmen auf jeder Linie 732 erhalten hat und den Code der Linie 732 diesem Wert zugewiesen hat. Falls es keinen eindeutigen Code gibt, der die meisten Stimmen erhalten hat, wird der Linie kein Code zugewiesen. Die Linien 732 werden identifiziert, sobald ein Code zugewiesen wurde, und die X, Y, Z-Koordinatenposition für alle cogs auf dieser Linie 732 können nun herausgefunden werden.

Es ist anzumerken, dass, obwohl die vorstehend angegebenen Beschreibungen zwischen Linienscannern und Bereichsscannern (Streifenlichtscannern) darauf basierend unterscheiden, ob drei oder mehr Musterelemente kollinear sind, darauf hinzuweisen ist, dass die Absicht dieses Kriteriums darin liegt, zwischen Mustern zu unterscheiden, die als Bereiche und als Linien projiziert werden. Folglich sind Muster, die auf lineare Weise projiziert werden und Informationen nur entlang eines einzelnen Weges aufweisen, immer noch Linienmuster, auch wenn das eindimensionale Muster gekrümmt sein kann.

Eine Schwierigkeit, der man manchmal bei der Vornahme von Messungen mit einem Triangulationsscanner, der am Ende eines Gelenkarm-KMGs angebracht ist, begegnet, besteht darin, dass Kanten nicht sehr scharf sind. Mit anderen Worten kann die Kante einen Radius oder eine Abschrägung aufweisen. Solche Kanten können Kanten von Teilen, Löcher in Teilen oder scharfe Aspekte von anderen Merkmalen sein. Probleme mit unscharfen oder nicht genau lokalisierten Kanten können bei Linienscannern oder Bereichsscannern auftauchen. Obwohl die Kanten, die in dem zweidimensionalen(2D-)Bild eines Triangulationsscanners gesehen werden, scharf sein können, kann der genaue Abstand zur Kante weniger sicher sein. Nahe einer Kante kann ein einzelnes Pixel einen Abstand aufweisen, der nicht klar definiert ist. An einem Abschnitt von in das Pixel reflektiertem Licht kann das Licht von einer flachen Oberfläche kommen. An einem anderen Abschnitt des Pixels kann der Abstand derjenige von benachbarten Pixeln auf der Seite oder Unterseite eines Lochs sein, oder es kann im Falle einer Kante eines Teils ein weit entfernter Abstand sein. In den meisten Fällen können auf Grund einer Linsendefokussierung, Linsenabweichungen und einer begrenzten Modulationstransferfunktion (MTF) mehrere Pixel (anstelle eines einzelnen Pixels) einem Merkmal, wie der Kante eines Lochs, entsprechen. In diesem Fall kann, wenn der fragliche Punkt nahe einer Kante liegt, der offensichtliche Abstand zum Pixel nicht auf einen einzelnen Abstand zu einem Punkt auf dem Objekt bestimmt werden. Manchmal wird der Begriff „gemischtes Pixel“ verwendet, um den Fall zu bezeichnen, in dem der zu einem einzelnen Pixel auf dem letzten Bild umschriebene Abstand durch mehrere Abstände auf dem Objekt bestimmt wird. In einem solchen Fall kann der Abstand, wie er durch den Triangulationsscanner für das fragliche Pixel bestimmt wird, ein einfacher Durchschnitt der Abstände über das Ausmaß des Pixels sein. In anderen Fällen kann der Abstand, wie er durch den Triangulationsscanner bestimmt wird, ein völlig anderer Wert sein, wie zum Beispiel, wenn ein „Vieldeutigkeitsbereich“ während eines Phasenverschiebungsverfahrens der Triangulation überschritten wird. In diesem Fall kann der Abstand um einen Betrag fehlerhaft sein, der schwer vorauszusagen ist.

Gemäß einer Ausführungsform verwendet eine Lösung dieses Problems die scharfen Kanten, die in einem oder mehreren 2D-Bildern des gemessenen Merkmals auftauchen. In vielen Fällen können solche Kantenmerkmale in 2D-Bildern klar identifiziert werden, zum Beispiel basierend auf strukturellen Schattierungen. Diese scharfen Kanten können in Koordination mit solchen Oberflächenkoordinaten bestimmt werden, die unter Verwendung der Triangulationsverfahren genau bestimmt werden. Durch Schneiden der projizierten Strahlen, die durch das Perspektivitätszentrum der Linse in dem Triangulationsscanner hindurch gehen, mit den 3D-Koordinaten des Abschnitts der Oberfläche, die durch Triangulationsverfahren auf eine relativ hohe Genauigkeit bestimmt werden, können die 3D-Koordinaten der Kantenmerkmale genau bestimmt werden.

Es versteht sich ferner, dass in einem Bild gesehene Kanten niemals absolut scharf sind, und so muss eine imperfekte Kantendiskontinuität (zum Beispiel eine Ausrundung) relativ breit sein, um von einer Kamera klar gesehen zu werden. Eine Position einer imperfekten Kante kann immer noch unter Verwendung von hier besprochenen Verfahren berechnet werden (zum Beispiel Heranziehen eines Schwerpunkts), um einen Kantenwert zu einer Unterpixel-Auflösung zu erhalten. Mit anderen Worten sind die hier angegebenen Verfahren, auch wenn eine Kamera auf einem Unterpixelniveau auf die Breite einer Kante reagiert, immer noch gültig, da es im Allgemeinen eine geringere Unsicherheit einer Position einer Kante aus einem 2D-Bild als aus einem 3D-Bild gibt, was im Vergleich zu 2D-Bildern eine relativ höhere Menge von Datenrauschen bedeutet. In manchen Fällen treffen sich die Oberflächen, um einen im Wesentlichen 90° betragenden Winkel zu bilden. In anderen Fällen können sich die Oberflächen mit einer Zwischenfläche treffen, die einen Winkel von weniger als 90° (z. B. 45°) aufweist, wie zum Beispiel eine Abfasung oder Abschrägung. In anderen Fällen kann eine gebogene Zwischenfläche vorliegen, wie zum Beispiel eine Ausrundung. In noch anderen Fällen kann die Kante „gebrochen“ sein, wie wenn der Schnittpunkt der Oberflächen mit einer Feile oder Raspel bearbeitet wird. Die hier offenbarten Verfahren gelten für Kanten mit diesen Eigenschaften. Bei manchen Ausführungsformen können empirische Daten gesammelt werden, um zu verstehen, wie sich der Kantenkontrast in dem erfassten Bild unter vorgeschriebenen Beleuchtungsbedingungen ändert.

Mit Bezug auf die 34–36 wird ein Beispiel für das vorstehend beschriebene Verfahren genauer für die Ausführungsform mit einem Objekt mit einem Loch beschrieben. Die Kamera 508 des Triangulationsscanners 3400 erfasst das Bild von von dem Projektor 510 auf die Oberfläche eines Objektes und von der Objektoberfläche reflektiertem Licht. Die reflektierten Lichtstrahlen gehen durch das Perspektivitätszentrum 3414 der Kameralinse 3412 hindurch und auf eine lichtempfindliche Matrix 3416 innerhalb der Kamera. Die lichtempfindliche Matrix sendet ein elektrisches Signal an eine elektrische Leiterplatte 3420, die einen Prozessor zur Verarbeitung von digitalen Bilddaten umfasst. Unter Verwendung der hier vorstehend beschriebenen Triangulationsverfahren bestimmt der Prozessor die 3D-Koordinaten für jeden Punkt auf der Objektoberfläche. Es versteht sich, dass das projizierte Licht einen Bereich in einem einzelnen projizierten Bild abdecken kann, oder es kann einen begrenzteren Bereich abdecken, wie einen Streifen oder einen Punkt. Die hier gemachten Bemerkungen gelten für jeden dieser Fälle.

Das Verfahren des Kombinierens des von einer Kamera erfassten 2D-Bilds, wobei die Kamera in manchen Ausführungsformen die Kamera 508, aber in anderen Fällen eine separate Kamera 3410 sein kann, besteht darin, die Lichtstrahlen 3440, 3442 entsprechend den Kanten des Lochs 3432A, 3432B, die von der lichtempfindlichen Matrix 3416 von den entsprechenden Punkten auf der lichtempfindlichen Matrix 3416 erfasst wurden, so zu projizieren, dass diese Strahlen die Kanten der Oberfläche 3430A, 3430B schneiden. Dieser Schnittpunkt bestimmt die 3D-Koordinaten der Kante.

Dieses Verfahren kann unter Betrachtung des Beispiels eines Objekts 3600 mit einem flachen Bereich 3610, in den ein Loch 3620 gebohrt ist, genauer verstanden werden. Es erstreckt sich ein Bereich von der Kante des Lochs 3620 zu einer Umfangsgrenze 3622, in der ein relativ hohes Maß an Unsicherheit liegt, und zwar durch die Wirkungen der gemischten Pixel, wie vorstehend besprochen. Es wird eine Annahme angestellt, basierend auf einer bereits bestehenden Kenntnis des untersuchten Teils, dass die Kante (in diesem Fall eines Lochs) scharf ist und die Oberfläche im Allgemeinen flach ist. Daher können durch Projizieren des 2D-Bilds des Lochs durch das Linsenperspektivitätszentrum auf den flachen Bereich mit Koordinaten, die unter Verwendung von Triangulation bestimmt wurden, die 3D-Koordinaten der scharfen Kanten des Lochs mit einer relativ hohen Genauigkeit bestimmt werden. Auf ähnliche Weise können die 3D-Koordinaten jeder Art von scharfen Kanten bestimmt werden.

Bei einer Ausführungsform ist eine Charakteristik des Unsicherheitsabstands 3424 des Triangulationssystems bereitgestellt. In manchen Fällen basiert der Unsicherheitsabstand zumindest teilweise auf der Menge des Rauschens, das in einem Bereich beobachtet wird, oder einem Maß der „Glätte" von Kanten. In Bereichen mit einem hohen Rauschen oder einer geringen Glätte kann sich der Unsicherheitsabstand erhöhen. Andere Faktoren, wie der Lichtpegel, welcher ein Pegel von Umgebungslicht oder ein Pegel der Beleuchtung von der Vorrichtung 401 sein kann, können auch bei der Bestimmung eines passenden Unsicherheitsabstands 3424 berücksichtigt werden.

Es wird nun ein Verfahren 3700 zur Bestimmung von 3D-Koordinaten eines Kantenpunktes, der sich auf einem Kantenmerkmal befindet, unter Verwendung einer Kombination aus einem Projektor, einer Scannerkamera und einer Kanten erkennenden Kamera mit Bezug auf 37 beschrieben. In einem Schritt 3705 ist ein Gelenkarm-KMG vorgesehen, das einen Projektor, eine Scannerkamera, einen Kanten erkennenden Scanner und einen Prozessor umfasst. Das Gelenkarm-KMG umfasst ferner mechanische Elemente, wie einen Armabschnitt, der drehbar an ein Unterteil gekoppelt ist. Jedes Armsegment umfasst mindestens ein Wegmesssystem, das in den meisten Fällen ein Winkelcodierer ist. Das Wegmesssystem erzeugt ein Positionssignal, welches normalerweise eine Winkelablesung ist. Ein Ende des Armabschnitts ist an dem Unterteil und das andere Ende an einem Sondenende angebracht. Der Projektor, die Scannerkamera und der Kanten erkennende Scanner sind an ein Sondenende gekoppelt. Die Kanten erkennende Kamera kann dieselbe Kamera sein wie die Scannerkamera oder eine andere Kamera als die Scannerkamera. Die Projektorkamera hat ein Projektorperspektivitätszentrum, durch welches Strahlen von einem ersten Lichtmuster auf dem Weg zu einem Objekt hindurch gehen. Das erste Lichtmuster kann Streifenlicht der hier vorstehend beschriebenen Art sein, wobei das erste Muster möglicherweise ein codiertes oder sequentielles Muster ist. Alternativ kann das erste Muster als eine Lichtlinie oder als ein Lichtpunkt projiziert werden. Die Lichtstrahlen können sich aus einem Muster von Licht ergeben, das von einer MEMS-Matrix reflektiert oder von einer individuellen Lichtquelle erzeugt wurde, welche das Licht durch geeignete optische Elemente sendet.

In einem Schritt 3710 empfängt eine elektronische Schaltung innerhalb des Gelenkarm-KMGs ein Positionssignal von den Wegmesssystemen in den Armsegmenten und sendet ein erstes elektrisches Signal an den Prozessor. In einem Schritt 3715 strahlt der Projektor ein erstes Lichtmuster auf das Objekt aus. In einem Schritt 3720 empfängt die Scannerkamera das erste von dem Objekt reflektierte Lichtmuster. In Reaktion auf den Empfang des reflektierten Lichts sendet die Scannerkamera ein zweites elektrisches Signal an den Prozessor.

In einem Schritt 3725 empfängt die Kanten erkennende Kamera ein zweites von dem Objekt reflektiertes Licht und sendet in Reaktion darauf ein drittes elektrisches Signal an den Prozessor. Ein Teil des zweiten Lichts wird von einem Kantenmerkmal des Objekts reflektiert, wobei der Kantenpunkt ein Punkt auf dem Kantenmerkmal ist. Das zweite Licht kann von mehreren Quellen kommen. Es kann sich um ein Umgebungslicht handeln, welches von Hintergrundlichtquellen in der Umgebung stammt. Das zweite Licht kann beabsichtigt von einem Lichtquellenelement ausgestrahlt werden, welches an das Sondenende gekoppelt ist. Die Lichtquelle kann eine gleichförmige Beleuchtung über die Oberfläche bereitstellen. Das zweite Licht kann zu einer anderen Zeit zum Objekt geschickt werden als das erste Lichtmuster

In einem Schritt 3730 bestimmt der Prozessor erste 3D-Koordinaten von ersten Punkten auf einer Oberfläche des Objekts. Diese ersten 3D-Punkte basieren zumindest teilweise auf dem ersten Lichtmuster von dem Projektor und dem zweiten elektrischen Signal, welches sich aus dem von der Scannerkamera erfassten Bild ergibt. Unter Verwendung von Triangulationsverfahren werden die 3D-Koordinaten der ersten Punkte auf der Oberfläche in dem lokalen Bezugssystem des Projektors und der Scannerkamera bestimmt. Durch weiteres Einschließen der ersten elektrischen Signale kann die Position der Objektoberfläche in einem Gelenkarm-KMG-Bezugssystem bestimmt werden.

In einem Schritt 3735 bestimmt der Prozessor weiterhin einen ersten Strahl, wobei der erste Strahl vom Objekt zum Objekt geht. Der erste Strahl ist der Strahl, der von dem Kantenpunkt durch das Perspektivitätszentrum der Kanten erkennenden Kamera geht. Der Prozessor bestimmt den ersten Strahl zumindest teilweise basierend auf dem dritten elektrischen Signal, welches die Kante in dem Bild einer lichtempfindlichen Matrix innerhalb der Kanten erkennenden Kamera erfasst. Außerdem basiert der erste Strahl auf dem ersten elektrischen Signal, welches notwendig ist, um den ersten Strahl innerhalb des Gelenkarm-KMG-Bezugssystems zu bestimmen. Der erste Strahl kann als ein Vektor innerhalb des Gelenkarm-KMG-Bezugssystems dargestellt werden.

In einem Schritt 3740 bestimmt der Prozessor ferner 3D-Koordinaten des Kantenpunkts zumindest teilweise basierend auf einem Schnittpunkt des ersten Strahls mit den ersten 3D-Koordinaten der ersten Oberfläche. Dies kann durch Bestimmen eines charakteristischen Abstands erfolgen, über den 3D-Daten als weniger genau als gewünscht angesehen werden. Der charakteristische Abstand kann auf einer Regel basieren, die einem gegebenen System zugeordnet ist, oder er kann auf einer Bildqualität basieren – zum Beispiel gezackte Kanten oder Rauschen in 3D-Punkten nahe der Kante. Der allgemeine Ansatz besteht darin, eine glatte Oberfläche (durch 3D-Punkte charakterisiert) mathematisch entlang eines durchgängigen Weges über den charakteristischen Abstand zu projizieren, bis die glatte Oberfläche den ersten Strahl schneidet. In den meisten Fällen ist eine große Anzahl an ersten Strahlen entlang Kantenpunkten auf einem Kantenmerkmal und wird projiziert, um eine Projektion einer glatten Oberfläche zu schneiden, wodurch eine genauere Bestimmung von 3D-Punkten auf dem und nahe des Kantenmerkmals ermöglicht wird. In einem Schritt 3745 werden die 3D-Koordinaten des Kantenpunktes gespeichert.

Während die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen beschrieben wurde, wird es dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente durch Elemente von diesen ersetzt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Außerdem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine besondere Situation oder ein besonderes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne den wesentlichen Rahmen derselben zu verlassen. Daher ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die besondere Ausgestaltung beschränkt ist, die als der beste zur Ausführung dieser Erfindung in Betracht gezogene Modus offenbart wird, sondern dass die Erfindung alle in den Rahmen der beigefügten Ansprüche fallenden Ausgestaltungen einschließt. Außerdem sagt die Verwendung der Begriffe erste(r/s), zweite(r/s) usw. nichts über die Reihenfolge oder Bedeutung aus, die Begriffe erste(r/s), zweite(r/s) usw. werden vielmehr dazu verwendet, ein Element von einem anderen Element zu unterscheiden. Ferner bedeutet die Verwendung der Begriffe ein, eine, einer usw. keinerlei Begrenzung der Menge, sie bedeutet vielmehr das Vorliegen von mindestens einem des benannten Gegenstands.