CH686207A5 - Verfahren und Einrichtung zum Erzeugen eines Bilds hoher Auflosung. - Google Patents

Description

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CH 686 207 A5

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erzeugen eines Bilds hoher Auflösung.

Nach dem technischen Hintergrund, welcher der Erfindung zugrundeliegt, ist die Abbildung von dreidimensionalen Gegenständen derart, dass Ergebnisse oder Bilder hoher Auflösung erhalten werden, ziemlich schwierig. Wenn konventionelle optische Mittel oder Einrichtungen verwendet werden, ist das in jedem Augenblick erhaltene Bild nur in der Brennebene eines solchen optischen Mittels oder einer solchen optischen Einrichtung oder in der Nähe dieser Brennebene scharf eingestellt.

Es ist bekannt, die Höhe eines Objekts, bezogen auf das optische Instrument, eine Anzahl von Malen abzutasten, was zu einer Mehrzahl von Bildern führt, worin nur ein Teil von jedem Bild scharf eingestellt ist, und worin dieser Teil in jedem solchen individuellen Bild ein unterschiedliches Niveau des Gegenstands oder der Höhenkontur des Gegenstands darstellt oder abgrenzt.

Eine andere Methode ist die Verwendung eines konfokalen Gabelkopfs, wo die Beleuchtung auch auf der gleichen Höhe, auf welcher das Bild aufgenommen wird, fokussiert wird, und demgemäss die meiste nicht scharf eingestellte Information verworfen oder «als Ausschuss» ausgeschieden wird. Um das Bild des gesamten Gegenstands zu erhalten, muss die gesamte Höhe abgetastet werden, was die Art der Beleuchtung, welche verwendet werden kann, starken Beschränkungen unterwirft.

Ein noch anderes Verfahren beinhaltet die Verwendung eines Abtastelektronenmikroskops (SEM, entsprechend dem englischen Ausdruck «Scanning Electron Microscope»), was eine beschwerliche Präparation der meisten Objekten und eine teure Ausrüstung erfordert.

Bei Laserprofilmessungen gehen alle nichtdimensionellen Informationen, wie Textur, Farbe etc. verloren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile der bekannten Verfahren und Einrichtungen möglichst weitgehend zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das gemäss der Erfindung die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.

Das Verfahren und die Einrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung sind dazu geeignet, ein Bild von dreidimensionalen, d.h. nichtplanaren oder nichtebenen Gegenständen zu erzeugen, wobei aber selbstverständlich auch ein Bild von anderen zum Beispiel ebenen Gegenständen erzeugt werden kann.

Kurz zusammengefasst betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erzeugen eines Bilds hoher Auflösung von einem dreidimensionalen Gegenstand, der hier auch als Objekt bezeichnet wird. Der Gegenstand wird so abgetastet, dass definierte abschnittsweise Bilder oder Bilder definierter Abschnitte, welche die gesamte Oberfäche des Gegenstands abdecken oder erfassen, mittels einer Lineardetektormatrix, die mindestens eine Zeile von lichtempfindlichen Elementen aufweist, Videobilder erzeugt werden, wobei die Auswertung von aufeinanderfolgenden Videobildern, bei welcher «ein wenig» unterschiedliche Niveaus ausgewertet werden, die Zeitverschiebung zwischen solchen oder diesen Bildern berücksichtigt wird, um ein Bild des gesamten Gegenstands zu rekonstruieren.

Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden eines Bilds hoher Auflösung von einem nichtplanaren oder nichtebenen Gegenstand, umfassend das Ausbilden eines Zwischenbilds des Gegenstands mittels eines optischen Systems; das Abtasten des Zwischenbilds in einer schrittweisen Art mittels einer linearen Detektormatrix so, dass die gesamte Höhe des Bilds bzw. Zwischenbilds und damit des Gegenstands abgedeckt oder erfasst wird, wobei jedes Höhen-Segment, d.h. jeder schmale, enge, horizontale Bildabschnitt für die abgebildete Höhe scharf eingestellt ist; zuführen der scharf eingestellten oder scharfen Information zu einer Bildauswahleinrichtung, welche die Videobilder unter Berücksichtigung der Zeitverzögerung zwischen aufeinanderfolgenden «Schnitten» oder schmalen, horizontalen Höhen-Segmenten auswertet, die «scharf eingestellte» oder «scharfe» Information auswählt und durch Aufsummieren der mittels der Abtastung erzeugten gesamten Information das gewünschte Bild erzeugt.

Die Erfindung betrifft weiter eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die gemäss der Erfindung die Merkmale des Anspruchs 6 aufweist. Die Erfindung zum Ausbilden eines Bilds hoher Auflösung von einem nichtplanaren oder nichtebenen Gegenstand, umfasst ein optisches System zum Ausbilden eines Zwischenbilds des gesamten Gegenstands, der abgebildet werden soll; eine Lineardetektormatrix, die eine Mehrzahl von Zeilen von lichtempfindlichen Detektoren, vorzugsweise CCD-Detektoren (CCD = Ladungsspeicher-Baustein oder ladungsgekoppelter Baustein) umfasst; eine Einrichtung zum Abtasten des gesamten Volumens des Gegenstands oder Zwischenbilds in einer schrittweisen Art und Weise, wobei jeder Schritt ein Höhen-Segment abdeckt oder erfasst, das eine gewisse Höhe definiert, so dass die Summe dieser Höhen-Segmente die gesamte Oberfläche des Gegenstands und Zwischenbilds abdeckt oder erfasst; eine Bildauswahleinrichtung zum Auswählen der Bilder, die ein Maximum an scharf eingestellter oder scharfer Information enthalten, durch Vergleichen von benachbarten Schnitten; und eine Einrichtung, die demgemäss das gewünschte dreidimensionale Bild erzeugt.

Nachstehend werden die prinzipiellen Merkmale der Erfindung beschrieben und erläutert. Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf ein System veranschaulicht, worin ein verhältnismässig kleiner Gegenstand dazu benutzt wird, ein vergrössertes Bild desselben zu erhalten. Es ist natürlich eine Sache der Auswahl und hängt auch von der Grösse des Gegenstandes ab, ob eine solche Vergrösserung erforderlich ist oder nicht. Es möge zunächst ein Volumen definiert werden, in welchem der Gegenstand

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oder die Gegenstände (oder Teile des Gegenstands oder der Gegenstände) eingeschlossen ist bzw. sind. Das ist das «Beobachtungsvolumen». Dieses Volumen wird durch die optische Einrichtung abgebildet, und auf diese Weise wird ein Bildvolumen erzeugt (in welchem ein Bild des Gegenstands eingeschlossen ist). Eine Detektormatrix wird in einer solchen Art und Weise bewegt, dass jede Reihe linearer Detektoren über das gesamte Bildvolumen streicht, und zwar jeweils auf einem unterschiedlichen Niveau; vorzugsweise so, dass alle Reihen zusammen das gesamte Bildvolumen abtasten, wobei jede Reihe das Bildvolumen auf einem unterschiedlichen Niveau abtastet. Dieses kann dadurch geschehen, dass entweder aktuell die Matrix bewegt wird, oder durch eine Änderung oder Verstellung in der optischen Einrichtung, welche das Bildvolumen über die Detektormatrix bewegt.

Wenn die Detektormatrix aus N Detektorzeilen besteht, werden N Bilder des Bildvolumens mittels dieser N Zeilen erzeugt. Jedes Bild ist auf eine gewisse Höhe des Bildvolumens fokussiert und enthält demgemäss scharf eingestellte oder scharfe Videoinformationen des Gegenstands oder der Gegenstände in einem «Höhenschnitt» dieses Volumens. (Die Detektormatrix ist in einer solchen Art und Weise aufgebaut, dass die N Höhenschnitte das gesamte Bildvolumen enthalten oder umfassen). Jedes Bild enthält ausserdem unscharfe Informationen über die anderen «Schnitte» oder «Höhenschnitte». Wenn die Videoinformationen erzeugt worden sind, werden sie verarbeitet, und es wird ein kombiniertes Bild erzeugt, das aus Teilen der scharf eingestellten oder scharfen Videoinformationen besteht, die in den N Bildern enthalten sind.

Die Erfindung sei nun unter Bezugnahme auf ein gewisses definiertes Volumen erläutert, in welchem der abzubildende dreidimensionale Gegenstand eingeschlossen ist. Es wird eine Matrix von Detektoren vorgesehen, welche ein Bild (das auch als Zwischenbild bezeichnet werden kann) des Gegenstands, welches durch optische Mittel (z.B. eine Linse oder ein Linsensystem) erzeugt worden ist, überstreichen oder abtasten. Dieses geschieht entweder durch eine Relativbewegung der Matrix gegenüber dem Bild bzw. Zwischenbild, oder durch eine Änderung in den Parametern der Optik oder durch Bewegung des Gegenstands. Wenn eine horizontale lineare Gruppierung, insbesondere eine horizontale lineare regelmässige Anordnung, von Sensoren (wie beispielsweise von lichtempfindlichen Elementen) dazu verwendet wird, den Gegenstand so abzutasten, dass jede Abtastung ein Bild eines engen rechteckigen horizontalen Abschnitts der Oberfläche des Gegenstands auf jenem gegebenen Niveau liefert, und wenn solche Abtastungen so wiederholt werden, dass aufeinanderfolgend die gesamte Oberfläche abgedeckt oder abgetastet wird, ist es durch geeignete Mittel, wie insbesondere eine Bildauswahleinrichtung, und durch Zurückhalten von nur jenen Teilen von jedem Bild, welche scharf eingestellt oder scharf sind, möglich, ein Bild hoher Auflösung zu erhalten. Die Gruppierung oder Gruppierungen ist bzw. sind vorzugsweise unter einem gewissen Winkel bezüglich der Horizontalebene, insbesondere unter einem Winkel, der grösser als 0 und kleiner als 90° ist, ausgerichtet. Es ist möglich, eine einzige derartige Gruppierung zu verwenden, und es ist auch möglich, eine Mehrzahl von horizontalen linearen Gruppierungen zu benutzen, um solche Abtastungen zu bewirken. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und Patentansprüche wird nachfolgend jedes derartige schmale Rechteck als «Abtastzeile» bezeichnet. Wenn die gesamte Matrix aus N Detektorzeilen besteht, werden N Bilder von dem Bildvolumen erzeugt. Jedes der Bilder ist auf einem gewissen Niveau (Höhe) des Bildvolumens fokussiert und enthält demgemäss scharf eingestellte oder scharfe Informationen von jenem Teil des Gegenstands, der sich in jenem «Niveauschnitt» des Volumens befindet. Jedes der Bilder enthält ausserdem unscharfe Informationen über andere «Schnitte» und auch unscharfe Informationen über irgendeinen Teil des «Schnitts» auf dem gegebenen Niveau, welcher nicht scharf eingestellt ist. Bilder von aufeinanderfolgenden «Schnitten» werden verglichen, wobei die Zeitverschiebung von aufeinanderfolgenden Bildern berichtigt wird, wenn eine einzige lineare Gruppierung für wiederholte Abtastungen verwendet wird, und diese Bilder werden so ausgewertet und verarbeitet, dass daraus ein kombiniertes Bild des gesamten Gegenstands resultiert.

Die vorstehenden sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung seien nachstehend unter Bezugnahme auf die schematischen Fig. 1 bis 7 der Zeichnung anhand von besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens und der Einrichtung nach der Erfindung, die hier auch als erfindungsgemässes System bezeichnet wird, näher beschrieben und erläutert, wobei die Figuren der Zeichnung aus Darstellungsgründen nicht massstabsgerecht sind; es zeigen:

Fig. 1 eine Blockdarstellung einer Ausführungsform eines Systems gemäss der Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht und eine Vorderansicht, welche die Prinzipien der Betriebsweise der Ausführungsform des erfindungsgemässen Systems veranschaulichen;

Fig. 3 eine Blockdarstellung, die eine Ausführungsform einer Auswahleinrichtung oder -einheit nach der Erfindung veranschaulicht;

Fig. 4 eine Blockdarstellung einer Entscheidungseinheit nach der Erfindung;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht, welche die Hauptmerkmale einer Ausführungsform einer erfindungsgemässen Einrichtung veranschaulicht;

Fig. 6 einen schematischen Schnitt der Einrichtung;

Fig. 7 eine Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, mittels deren die Betriebsweise dieser Ausführungsform oder eine bevorzugte Verfahrensweise der Erfindung unter Bezugnahme auf einen definierten Gegenstand und ein Abbildungssystem erläutert wird; und

Fig. 8 ein Diagramm von Signalen in Abhängigkeit von der Zeit.

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Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, wonach ein nichtplanarer oder nichtebener Gegenstand 11 in einem Beobachtungsvolumen 12 eingeschlossen ist. Über dem Gegenstand 11 befindet sich ein optisches Abbildungssystem, das im vorliegenden Falle eine Vergrösserungseinrichtung 13 ist, welches, wie in Fig. 5 in näheren Einzelheiten veranschaulicht und mit 25 bezeichnet ist, ein Bild (das auch als Zwischenbild bezeichnet werden kann) des Gegenstands oberhalb der Vergrösserungseinrichtung 13 bzw. 25 ausgebildet. Dieses Bild oder Zwischenbild wird mittels einer Abtasteinrichtung 14, welche eine Lineardetektormatrix 23 mit einer Mehrzahl von linearen Gruppierungen, d.h. Zeilen von Photodetektoren umfasst (allgemein CCD-Elemente), die in Fig. 5 mit 24 bezeichnet sind, Höhen-Segmente für Höhen-Segment abgetastet. Die Ausgangsgrösse oder das Ausgangssignal der Abtasteinrichtung 14 wird einer Bildauswahleinrichtung 18 zugeführt, und von dieser erhält man einen Videoausgang 19, oder das Ausgangssignal der Bildauswahleinrichtung 18 wird einer Videoausgangseinrichtung 19 zugeführt.

Einzelheiten des Abtastvorgangs sind insbesondere in Fig. 5 dargestellt, wonach der hier mit 21 bezeichnete Gegenstand in dem Volumen 22 mittels einer Lineardetektormatrix 23 aus einer Mehrzahl von lichtempfindlichen Elementen 24 abgetastet wird, wobei die Abtastung derart ist, dass Niveaus L1 bis L5 durch die Gruppierungen 23(1) bis 23(5) abgetastet werden.

Der Gegenstand befindet sich in Bezug auf das optische Element 25 (z.B. eine Linse oder eine Linsengruppe), so, dass zunächst ein Bild 27 (Zwischenbild) des Gegenstands 21 ausgebildet wird, und dieses Bild bzw. Zwischenbild wird eine Mehrzahl von Malen abgetastet, wobei jede Abtastung ein schmales rechteckiges Segment auf unterschiedlichen Niveaus L1 bis L5 abdeckt oder erfasst, wie in Fig. 5 perspektivisch dargestellt und in Fig. 2 schematisiert ist. Aktuell wird natürlich eine beträchtlich grössere Anzahl von Höhen-Segmenten oder «Horizontalschnittbildern» erzeugt. Jede Zeile der Lineardetektormatrix enthält eine grosse Anzahl von lichtempfindlichen Elementen 24, so dass ein genaues Bild jener Unterelemente oder «Horizontalschnittbilder» auf dem jeweils gegebenen Niveau, die scharf eingestellt sind, erzeugt wird. Das Bild eines solchen «Schnitts» wird von der Bildauswahleinrichtung 18 unter Berücksichtigung der Tatsache, dass eine gewisse Zeitverschiebung zwischen benachbarten Niveaus vorhanden ist, wenn eine einzige Gruppierung dazu benutzt wird, die gesamte Oberfläche abzutasten, verglichen. Die Elemente 24 sind unter einem gewissen Winkel angeordnet, um die Oberfläche besser abzudecken oder zu erfassen, wobei die Sichtrichtung in den Fig. 5 und 6 durch den Pfeil 28 und die Abtastvorrichtung durch den Pfeil 26 angegeben ist. Wie aus den Fig. 5 und 6 ersichtlich ist, ist nämlich der Winkel der Ebene der Gruppierungen der Elemente 24 zur Sichtrichtung 28 ein spitzer Winkel, der grösser als 0° und kleiner als 90° ist. Die Abtastung wird so ausgeführt, dass alle Facetten des Gegenstands 21 abgedeckt oder erfasst werden. Durch das optische Element, welches eine gewünschte Vergrösserung des Gegenstands liefern kann und dessen numerische Apertur entsprechend den Dimensionen des Gegenstands 21 und entsprechend der erforderlichen Auflösung gewählt wird, wird eine hohe Auflösung erzielt.

Dieses Bild bzw. Zwischenbild über dem Linsensystem wird durch die Gruppierung von elektro- und/ oder lichtempfindlichen Elementen abgetastet. Vorteilhafterweise umfasst eine solche Gruppierung eine grosse Anzahl von CCD-Detektoren, und es wird entweder eine einzige solche lineare Gruppierung benutzt, indem sie bezüglich des Gegenstandes von einem Niveau zum nächsten bewegt wird, oder es werden gleichzeitig oder aufeinanderfolgend eine Anzahl solcher Gruppierungen verwendet. Durch jede Abtastung eines schmalen rechteckigen Schnitts («Zeile») werden Videoinformationen erzeugt, und bei jeder Zeile wird das Bild zeitlich verschoben, und zwar eine Zeile nach der anderen. Die aus den unterschiedlichen Abtastungen resultierenden Bilder unterscheiden sich voneinander darin, dass jede solche Zeile nur einen Teil des Bilds (kontinuierlich oder nicht, entsprechend der Form des Objekts) enthält, der scharf eingestellt ist bzw. der auf dem gegebenen Niveau scharf eingestellt ist; so dass dann, wenn die Abtastung der gesamten Oberfläche vollendet worden ist, eine Anzahl von Videobildern erhalten worden ist, von denen jedes teilweise scharf eingestellt oder scharf ist, während in den anderen Bildern die gleichen Bereiche unscharf sind oder sein können.

Die auf diese Weise erhaltenen Bilder werden einer Bildauswahleinrichtung 18 zugeführt, welche dazu dient, die Bildzeilen, wie sie als Videoinformationen von jeder Matrixzeile empfangen werden, zu vergleichen (unter Berücksichtigung der Zeitverschiebung zwischen den Abtastungen von benachbarten Zeilen), und welche Bildauswahleinrichtung Teile des Bilds auswählt, von denen jeder scharf eingestellt oder scharf ist, während sie andere Teile des Videobilds für die gleiche Gegenstandszeile höchster Videofrequenz verwirft oder als Ausschuss ausscheidet, und sie wählt ausserdem das Bild, das einem Intensitätsextrem, entweder schwarz oder weiss, am nächsten ist. Die Informationen werden angemessen gewichtet, wobei die Teile von jeder Matrixzeile, die für die gegebene Gegenstandszeile (Niveau) scharf eingestellt oder scharf sind, angegeben werden.

Matrixaufbau

Der Matrixaufbau wird bestimmt, indem die folgenden Erwägungen und/oder Tatsachen berücksichtigt werden:

- Die beabsichtigten Dimensionen des Gegenstands in der X,Y-Ebene.

- Die Variationen der Objektdimensionen längs der Z-Achse in dem beobachteten Bereich.

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- Diese Beschränkungen oder Zwänge definieren das «Beobachtungsvolumen», welches durch die Vergrösserungseinrichtung und die Abtasteinrichtung in ein virtuelles oder tatsächliches Beobachtungsvolumen übersetzt oder transformiert wird, dessen Dimensionen mit Bezug auf das ursprüngliche Objektvolumen mehrfach vergrössert sein können. Dieses virtuelle oder tatsächliche Beobachtungsvolumen wird von der Detektormatrix abgetastet.

Die erforderliche winkelmässige Auflösung bzw. Winkelauflösung bestimmt die numerische Apertur der Vergrösserungseinrichtung (und auch die Wellenlänge). Dieses bestimmt wiederum die Brennweite oder Fokaldistanz ZZd für die erforderliche Auflösung.

N = Zo Zd worin Zo die Vertikaldimension des Beobachtungsvolumens ist, während Zd die Feldtiefe ist.

Die Länge der Detektorzeile wird durch die Breite des augenblicklich zu beobachtenden Bereichs und durch die Abtastrate bestimmt. Der horizontale Abstand zwischen den Zeilen sollte so klein wie möglich sein, was durch die physischen Dimensionen der Detektorzeile bestimmt wird. Diese Entfernung bestimmt die Verzögerung zwischen der Abtastung des gleichen Punkts auf dem Gegenstand durch zwei benachbarte Zeilen.

Eine Entscheidung darüber, auf welcher von diesen beiden Zeilen besser scharf gestellt ist (oder auf welchen entsprechenden Teilen dieser Zeilen), kann nicht sofort getroffen werden, und demgemäss müssen die von jeder Zeile (ausgenommen die letzte) erzeugten Videoinformationen gespeichert werden, bis die Ausgangsgrössen oder -signale der nächsten Zeile untersucht worden sind und eine Entscheidung getroffen worden ist.

Auswahleinrichtung

Die Auswahleinrichtung kann durch Hardware, Software oder eine Kombination von beiden ausgeführt sein, und demgemäss wird hier nur ihr Algorithmus beschrieben.

Die Fig. 3 zeigt eine Blockdarstellung einer Auswahleinrichtung. Wenn Daten (in Digital- oder Videoform) von den Detektorzeilen ankommen, wird jeder Teil dieser Daten mit den Daten verglichen, welche von der vorhergehenden Zeile erzeugt worden sind, wenn diese die gleiche Stelle auf dem Gegenstand abgetastet hat. Die Daten von der vorhergehenden Zeile werden um einen Betrag von «Verzögerung 1 + Verzögerung 2» verzögert, welcher gleich der Gesamtverzögerung zwischen zwei Zeilen ist. Die Entscheidungseinheit vergleicht jeden Teil dieser beiden Zeilen und befiehlt dem Auswahleinrichtungsschalter, die Ausgangsgrössen der besser fokussierten oder besser scharf gestellten Zeile auszuwählen. Die Datenströme, die an dem Auswahleinrichtungsschalter ankommen, werden um einen Betrag von Verzögerung 1 verzögert, welcher gleich der Verzögerung der Entscheidungseinheit ist. Die Ausgangsgrössen des Auswahleinrichtungsschalters werden um einen Betrag von Verzögerung 2 verzögert, bevor sie zu der nächsten Entscheidungseinheit und dem nächsten Auswahleinrichtungsschalter geschickt werden. Die Ausgangsgrösse des Auswahleinrichtungsschalters (N-1) der Aufstellung ist die Ausgangsgrösse der Auswahleinrichtung, wie die Fig. 3 zeigt, denn danach ist der Zeile N der (N-1)te Auswahleinrichtungsschalter zugeordnet, weil der Zeile 1 kein solcher Auswahleinrichtungsschalter unmittelbar zugeordnet ist, wie aus dem oberen Teil der Fig. 3 hervorgeht.

Fig. 4 veranschaulicht die Betriebsweise der Entscheidungseinheit. Die beiden Signale kommen auf den Eingangsleitungen A und B in die Entscheidungseinheit. Jede Zeile wird in der folgenden Weise verarbeitet (um die Hochfrequenzinhalte und die Intensität zu messen):

- Eine Konstante des Werts -C1 wird hinzugefügt, und der absolute Wert (ABS) des Signals wird genommen (die Konstante -C1 eliminiert die Gleichstromkomponente des Videosignals).

- Das Signal wird durch ein Hochpassfilter (HPF) hindurchgeschickt, und der Absolutwert wird genommen.

- Diese Werte werden mit Konstanten multipliziert, und zwar wird der eine Wert mit der Konstanten C2 multipliziert, während der andere Wert mit der Konstanten C3 multipliziert wird.

- Die Ausgangsgrössen dieser Multiplikationen werden summiert.

- Die Ergebnisse der beiden verarbeiteten Signale werden verglichen, und der höhere Wert wird ausgewählt.

Wenn beide Zeilen das gleiche Resultat ergeben, bleibt der Auswahleinrichtungsschalter in seiner vorherigen Position. Das kann aus mehreren Gründen geschehen:

- Der Gegenstandsbereich ist gleichförmig.

- Beide Zeilen sind unscharf.

In beiden Fällen ist es unwichtig, welche der Zeilen ausgewählt wird. Die Rate der Positionsänderung für den Auswahleinrichtungsschalter wird durch die relativen Gewichte C2 und C3 und durch die Bandbreite des Hochpassfilters (HPF) bestimmt.

Ein entsprechener Algorithmus kann implementiert werden, wo die Zeilenauswahl nicht nur basierend

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auf der eindimensionalen Fokus- oder Schärfequalität entlang der Zeile, gemessen durch die Netzwerke der Entscheidungseinheit, vorgenommen wird, sondern wo stattdessen die Zeilenauswahl basierend auf einer zweidimensionalen Fokus- oder Schärfequalität vorgenommen wird, wo die entsprechenden Pixel oder Bildelemente in jeder Zeile auch, basierend auf den vorherigen Positionen, mittels entsprechender Netzwerke gewichtet werden, und die höchstresultierende Zeile für diese Nachbarschaft ausgewählt wird bzw. die Zeile mit dem höchsten Resultat für diese Nachbarschaft ausgewählt wird.

BEISPIEL

Es sei ein Beobachtungsvolumen von (Xo, Yo, Zo) - 0,5 x 0,5 x 0,5 mm genommen und davon ausgegangen, dass Gegenstände, welche innerhalb dieses Volumens eingeschlossen sind, mit einer Auflösung von 4 um beobachtet werden sollen.

A. Bestimmung von N - der Anzahl von Zeilen

Diese Auflösung gebietet eine numerische Apertur (N.A.) von wenigstens 0,2. Die Feldtiefe (Zd) ist unter diesen Bedingungen etwa 10 um. Das bedeutet, dass zum Abdecken oder Erfassen der gesamten Vertikaldimension (Zo) des Beobachtungsvolumens die folgende Zeilenzahl zu verwenden ist:

N = Zo = 500 - 50 Zd 10

N = 50 Zeilen

B. Bestimmung der Vergrösserung

Die typischen Dimensionen eines einzelnen Bildelements (Pixels) in verfügbaren CCD-Gruppierungen oder -Anordnungen sind etwa 10x10 |im.

Das bedeutet, dass es für die gewünschte Auflösung notwendig ist, den Gegenstand um das nachfolgende Vergrösserungsverhältnis M zu vergrössern.

M = 1,5 x 10 = 4 4

(Ein Auflösungselement ist 1,5 Pixel).

C. Matrixaufbau

Die Dimensionen des Bildvolumens sind Zo = 42 x 0,5 = 8 mm Xo = 4 x 0,5 = 2 mm Yo = 4 x 0,5 = 2 mm

Der vertikale Abstand zwischen zwei benachbarten Zeilen ist 42 x 10 = 160

Die Länge von jeder Zeile ist, wie erwähnt, 2 mm, und geteilt durch die Pixeldimensionen wird n, die Anzahl von Bildelementen oder Pixels in jeder Zeile, erhalten, nämlich n = 2000 = 200 10

Es soll demgemäss eine Detektormatrix von N = 50 Zeilen (jede bestehend aus 200 Pixel), beabstandet um 320 um, aufgebaut werden.

Diese Matrix wird um 30° gekippt (bezüglich der XY-Ebene), und demgemäss wird ein vertikaler Abstand von 160 jim erreicht.

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D. Abtastrate

Wenn die Taktfrequenz des CCD die Grösse von 20 MHz hat, werden die gesamten 200 Pixel in jeder Zeile in einer Zeit von to = 10 usec getaktet oder abgetastet.

Das bedeutet, dass die Detektormatrix jede 10 usec um ein Pixel längs des Bilds bewegt werden kann.

Das volle Abtastbild der Matrix wird durch die Länge Xo des Bildvolumens und durch die Projektion der Detektormatrix auf die XY-Ebene bestimmt.

Im vorliegenden Falle ergibt das 2 + (320 x 50 x cos 30°) = 15,9 mm.

Die Anzahl von Schritten ist

Und die Abtastperiode beträgt

1590 x 100 = 15900 (xsec

(Eine Abtastfrequenz von angenähert 63 Hz).

E. Verarbeitung

Die Ausgangsgrösse von jeder Zeile ist ein kontinuierliches Videosignal in dem Bereich von 0 bis 1 Volt. Das Spektrum von diesem Signal ist (bestimmt durch die räumliche Textur und die Form des Objekts und beschränkt durch die Auflösung des CCD) beschränkt durch die Taktfrequenz des CCD.

In der Entscheidungseinheit seien Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 20 MHz und einem Verlust von 6 dB pro Oktave unter dieser Frequenz verwendet. Die Verzögerung der Entscheidungseinheiten ist 0,4 usec. Die Verzögerungen «Verzögerung 1 » und «Verzögerung 2» werden derart, dass: «Verzögerung 1 » = «Auswahleinrichtungsverzögerung» = 0,4 usec und

«Verzögerung 1» + «Verzögerung 2» = «Zeilenzeit» = 10 usec

Demgemäss ergibt sich

«Verzögerung 2» = 9,6 tisec

Es sei folgende Wahl getroffen: C1 = C2 = C3 = 0,5

F. Punktzielabbilduna

Es sei nun ein Ziel betrachtet, welches ein schwarzer Punkt von minimalen Dimensionen ist (z.B. eine schwarze Kugel von 4 um Durchmesser), der in der Mitte des Beobachtungsvolumens gegen einen weissen Hintergrund aufgehängt ist.

In .-ig. 7 sieht man die verschiedenen Stadien der Signale, welche aus den Zeilen 24 und 25 kommen und durch die Auswahleinrichtung, die anhand der Fig. 3 und 4 beschrieben ist, verarbeitet und ausgewählt werden (mit den Parametern, die in diesem Beispiel definiert worden sind).

g. Videozeilen

Die Ausgangsgrössen der CCD-Zeilen 24 und 25 sind für die Zeit, beginnend bei 7950 nach dem Start der Abtastung, gezeigt (da vorliegend das Interesse auf einen einzigen Punkt in der Mitte des Beobachtungsvolumens gerichtet ist, werden die beiden Zeilen in der Mitte und unmittelbar über der Mitte, nämlich die Zeilen 24 und 25, betrachtet, und es wird jeweils die Mitte der Abtastzeit betrachtet). Es ist ersichtlich, dass die Zeile 24 das Ziel bei 7955 usec «sieht», aber dass das Ziel verwischt und schwach ist. Die Zeile 25 dagegen «sieht» ein starkes und gut definiertes Ziel bei 7965 usec.

H. Eingangsgrössen für die Entscheidungseinheit

Die Signale an den Eingängen der Entscheidungseinheit 24/25 sind:

Am Eingang A - das Signal der Zeile 25

Am Eingang B - das Signal der Zeile 24, aber um 10 usec verzögert.

to = 1

20 (MHz)

x 200 = 10 fusec

Abtastbereich Pixeldimension

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1. Sionale in den Komparatoreingänaen

Beide Signale, welche in die Entscheidungseinheiten eingegeben werden, werden entsprechend bzw. gleichartig verarbeitet.

Es erfolgt eine Addition von -C1, es wird der Absolutwert genommen, und er wird mit C2 multipliziert, wobei durch dieses gerade eine Gleichstromkomponente zu dem Signal von einem Wert von 0,25 V hinzugefügt wird. (Die Wirkung auf das Bild bei der Zeit 7965 ist klein).

Es erfolgt eine Hochpassfilterung, es wird ein Absolutwert genommen, und dieser wird mit C3 multipliziert, wodurch das Signal, welches in den Eingang 3 kommt (von der Zeile 24) unterdrückt wird, und es verbleibt ein starkes Signal (das von der Zeile 25 kommt) und unbeeinträchtigt ist). Beide Signale an diesen Eingängen sind leicht verzögert.

J. Ausgangsgrösse der Entscheidunaseinheit

Wenn die Signale an den Komparatoreingängen ausgeprägt unterschiedlich werden (im vorliegenden Falle gerade nach 7965 usec), ändert der Komparator seinen Zustand, und die Zeile 25 wird ausgewählt.

K. Einoanosorössen zum Auswahleinrichtunasschalter

Die Videosignale, welche an dem Auswahleinrichtungsschalter 24/25 ankommen, sind die gleichen Signale, die zu der Entscheidungseinheit 24/25 gehen, lediglich verzögert um Verzögerung 1, welche gleich der Entscheidungseinheitsverzögerung ist.

Zu der Zeit, zu welcher die Punktzielsignale an diesen Eingängen ankommen, hat der Komparator bereits den Zustand geändert, und das Signal von der Leitung 25 wird ausgewählt und zu der nächsten Entscheidungseinheit durchgelassen.

L. Die nächste Entscheidunoseinheit

Der gleiche Prozess wird zwischen der Zeile 25 und 26 wiederholt, nur die Zeile 26 verläuft unter dem Punktziel, und das Signal ist wieder verwischt und schwach, und daher ist das Signal, welches aus dem Auswahleinrichtungsschalter 25/26 herauskommt, das Signal der Zeile 25 (wieder um 10 usec verzögert).

Mit der Erfindung werden ein Verfahren und eine Einrichtung zum Ausbilden eines Bilds hoher Auflösung von einem dreidimensionalen Gegenstand zur Verfügung gestellt. Die Oberfläche des Gegenstands wird schrittweise mittels einer linearen Detektormatrix so abgetastet, dass die gesamte Höhe des Gegenstands abgedeckt oder erfasst wird. Die Anordnung ist derart, dass jeder horizontale «Schnitt» für die spezielle Höhe des «Schnitts» scharf eingestellt ist, und die Information wird einer Bildauswahleinrichtung zugeführt, welche die Videobilder auswertet, wobei sie die «scharf eingestellten» Informationen auswählt und diese für den Aufbau des gewünschten Bilds verwendet. Das erfindungsge-mässe System basiert vorzugsweise auf einer Mehrzahl von linearen CCD-Detektoranordnungen, welche zum Abtasten der Oberfläche des Gegenstands verwendet werden, sowie auf einer Bildauswahleinrichtung und einer Einrichtung zum demgemässen Aufbauen des gewünschten Bilds.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zum Erzeugen eines Bilds hoher Auflösung von einem dreidimensionalen Gegenstand (11, 21), dadurch gekennzeichnet, dass durch ein optisches System (13, 25) ein Zwischenbild (27) des Gegenstands (11, 21) erzeugt wird, dass eine Lineardetektormatrix (23) mit mindestens einer Zeile (23(1) bis 23(5)) von lichtempfindlichen Elementen (24) und das Zwischenbild (27) derart schrittweise bezüglich einander verschoben werden, dass die bzw. jede Zeile (23(1) bis 23(5)) von lichtempfindlichen Elementen (24) ein Höhen-Segment eines das Zwischenbild (27) enthaltenden Raums abtastet und die Lineardektormatrix (23) dabei die gesamte Höhe des Zwischenbilds (27) erfasst, wobei jeder einem Höhen-Segment zugeordnete Abschnitt des Gegenstands (11, 21) im betreffenden Höhen-Segment scharf abgebildet wird, dass jede Zeile (23(1) bis 23(5)) lichtempfindlicher Elemente (24) beim Abtasten Informationen erzeugt, die ein Videobild für das betreffende Höhen-Segment darstellen, dass die Informationen einer Bildauswahleinrichtung (18) zugeführt werden, dass diese die Informationen unter Berücksichtigung der Zeitverzögerung zwischen verschiedene Höhen-Segmente darstellenden Video-Bildern auswertet sowie Informationen auswählt, die scharf abgebildete Ausschnitte des Gegenstands (11, 21) darstellen, und die ausgewählten Informationen zu dem zu erzeugenden Bild zusammensetzt.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vom optischen System (13, 25) erzeugte Zwischenbild (22) grösser ist als der Gegenstand (11, 21).

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lineardetektormatrix (23) Informationen erzeugt, die Höhen-Segmente des Zwischenbildes (27) darstellen, und dass die Bildauswahleinrichtung (18) die zu zwei benachbarten Höhen-Segmenten gehörenden Informationen vergleicht

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   CH 686 207 A5

   und die Informationen desjenigen Höhen-Segments für die Erzeugung des Bildes auswählt, die eine schärfere Abbildung von einem Ausschnitt darstellt.

   4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Höhen-Segment des Zwischenbilds ein Videosignal erzeugt und durch ein Hochpassfilter (HPF) hindurchgeschickt wird, dass eine Gleichstromkomponente des Videosignals eliminiert und ein Absolutwert (ABS) des einer Zeile des Zwischenbildes zugeordneten Videosignals erzeugt wird und dass das Videosignal mit dem höheren Absolutwert ausgewählt wird.

   5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (13, 25) eine optische Achse definiert und mit gegen den Gegenstand (11, 21) gerichteter, optischer Achse oberhalb des Gegenstands (11, 21) angeordnet wird, so dass das Zwischenbild oberhalb des optischen Systems (13, 25) erzeugt wird, dass die Lineardetektormatrix (23) eine Anzahl zueinander paralleler Zeilen (23(1) bis (23(5)) lichtempfindlicher Elemente (24) aufweist, geneigt zur optischen Achse angeordnet und quer zur optischen Achse verschoben wird.

   6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein optisches System (13, 25) zum Erzeugen eines Zwischenbilds (27) des gesamten abzubildenden Gegenstands (11, 21), durch eine gegen eine Horizontalebene geneigte Lineardetektormatrix (23) mit einer Anzahl zueinander paralleler Zeilen (23(1) bis (23(5)) von lichtempfindlichen Elementen (24), durch eine Einrichtung, um die Lineardetektormatrix (23) und das Zwischenbild (27) derart schrittweise bezüglich einander zu verschieben, dass jede Zeile (23(1) bis 23(5)) von lichtempfindlichen Elementen (24) ein Höhen-Segment eines das Zwischenbild (27) enthaltenden Raums abtastet, jeder einem Hö-hen-Segment zugeordnete Abschnitt des Gegenstands (11, 21) im betreffenden Höhen-Segment scharf abgebildet wird und die Lineardetektormatrix dabei das gesamte Zwischenbild (27) erfasst, wobei die Lineardetektormatrix (23) zur Erzeugung von Informationen ausgebildet ist, die ein Videobild für das betreffende Höhen-Segment darstellen, durch eine Bildauswahleinrichtung (18) zum Auswählen von Informationen, die scharf abgebildete Ausschnitte des Gegenstands (11, 21) darstellen, und durch Mittel, um die ausgewählten Informationen zum Bild zusammenzusetzen.

   7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (13, 25) zur Erzeugung eines Zwischenbilds (27) ausgebildet ist, das grösser als der Gegenstand (11, 21) ist.

   8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Entscheidungseinheit, die mit Eingängen, vorzugsweise Eingangsleitungen oder -zeilen, für zwei Signale versehen ist, Mittel oder eine Einrichtung zum Verarbeiten jedes Signals mit Mitteln oder einer Einrichtung zum Addieren einer gewissen Konstanten (-C1), Mitteln oder einer Einrichtung zum Bestimmen des Absolutwerts (ABS) einer beim Addieren gebildeten Summen, Mitteln oder einer Einrichtung zum Multiplizieren derselben mit einer Konstanten (Gewicht C2), Mitteln oder einer Einrichtung zum Hindurchschicken jedes Signals durch ein Hochpassfilter (HPF), Mitteln oder einer Einrichtung zum Bestimmen des Absolutwerts (ABS) einer Filterausgangsgrösse und zum Multiplizieren dieses Werts mit einer anderen Konstanten (Gewicht C3), Mitteln oder einer Einrichtung zum Summieren der Ergebnisse der Multiplikationen, Mitteln oder einer Einrichtung zum Vergleichen der verarbeiteten Signale, und Mitteln oder einer Einrichtung zum Auswählen desjenigen mit dem höheren Wert.

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