DE10014964A1 - Verfahren zum optischen Messen der Form spiegelnder Oberflächen - Google Patents
Verfahren zum optischen Messen der Form spiegelnder OberflächenInfo
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Abstract
Zur Vermessung spiegelnder Oberflächen werden Verfahren benötigt, die gleichzeitig eine hohe laterale Auflösung der Oberfläche und der Form erlauben. Die Messdaten sollten eindeutig bzgl. der gewonnenen Formdaten sein. Eine Vermessung in einem mikroskopischen Aufbau zur Kontrolle von feinsten Strukturen sollte möglich sein. DOLLAR A Durch den Einsatz einer aktiven Beleuchtung, welche einen Teilraum über dem Objekt mindestens bzgl. der Beleuchtungsrichtung eindeutig codiert, ist dies erfindungsgemäß realisiert. Die Codierung erfolgt vorzugsweise mit einer sinusförmigen Intensitätsverteilung. Eine Kamera beobachtet das auf der Oberfläche reflektierte Bild der codierten Umgebung. Anhand des detektierten Musters kann auf die Oberflächenform geschlossen werden. DOLLAR A Die Abbildung zeigt die technische Realisierung eines Aufbaus mit dreidimensionaler Codierung des Raumes über dem Objekt. Die Richtungscodierung wird dabei durch die Abbildung einer, mit einem Muster codierten, diffus streuenden Lichtebene nach "unendlich" verwirklicht.
Description
Die Erfindung betrifft ein System, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Spiegelnde Flächen treten in der industriellen Fertigung vielfach auf, z. B. bei
Gegenständen aus Glas, Metall und Kunststoff, sowie an polierten, glasierten, lackierten
oder hochglanzverchromten Oberflächen. Zur Qualitätssicherung solcher Objekte werden,
entsprechend den jeweiligen Anforderungen Verfahren benötigt, die eine Detektion von
Oberflächendefekten, eine Kontrolle der Formtreue, oder gar eine präzise Vermessung der
Gestalt erlauben. Dabei geht es teilweise um ästhetische Eigenschaften der Gegenstände,
wie bei lackierten Karosserieteilen, oder aber um technische Qualitätsansprüche, z. B. bei
optischen Komponenten, wie sphärischen oder asphärischen Linsen. Eine gleichzeitige,
hochgenaue laterale Auflösung der Oberfläche und der Form, eine schnelle Aufnahmezeit
und eine rechnergestützte Auswertung ist notwendig.
Verfahren, welche primär die raum-zeitlichen Ausbreitungs- und Welleneigenschaften
(Interferometrie) nutzen, sind dafür im Allgemeinen nicht geeignet. Die bisherige Nutzung
der geometrisch-optischen Eigenschaften des Lichts ist für eine parallele Erfassung
spiegelnder Oberflächen jedoch problematisch.
Einem zu vermessenden, spiegelnden Objekt wird dabei ein beleuchtetes, diffus streuendes
Muster gegenübergestellt. Das Muster wird auf der Oberfläche reflektiert und von einer
Digitalkamera aufgenommen. Anhand des detektierten Musters kann auf Parameter der
Oberflächenform geschlossen werden [1], [2], [3]. Diese Methoden sind besonders
empfindlich für Oberflächenneigungen.
Die gewonnenen Messdaten sind jedoch nicht eindeutig, denn das aufgenommene Muster
ist nicht nur von der lokalen Oberflächenneigung, sondern auch vom Abstand der
Oberfläche zum Muster abhängig. Dieses Problem lässt sich nur durch
Näherungsverfahren und Voraussetzungen an die zu vermessende Oberfläche [3], oder
durch eine zusätzliche Abstandsmessung [1], bzw. eine zweite Kamera und einer
anschließenden Rekonstruktion der Fläche, in einer rechnergestützten Auswertung
kompensieren.
Der zweite Nachteil dieser Verfahren ist ein Schärfentiefeproblem. Muster und Objekt
müssen im Schärfentiefebereich der Kamera liegen. Im Allgemeinen ist der
Schärfentiefebereich jedoch zu klein, deshalb wird z. B. bei [3] auf das Muster fokussiert
und damit, bei der lateralen Auflösung der Oberfläche, auf Genauigkeit verzichtet. Der
Einsatz einer Codierung, durch Streifen mit sinusförmigem Intensitätsverlauf, erlaubt die
Defokusierung des Musters [1]. Eine hohe Ortsauflösung, z. B. in einem mikroskopischen
Aufbau, kann damit aber nicht realisiert werden, denn der Schärfentiefebereich der Kamera
ist proportional zum Quadrat der erlaubten Ortsunschärfe δx. Für die Rayleighsche
Schärfentiefe gilt
Damit ergibt sich für eine erwünschte laterale Auflösung
der Oberfläche von δx = 10 µm (δx = 5 µm) und einer mittleren Wellenlänge des verwendeten
Lichts λ = 600 nm, ein Schärfentiefebereich Δa = 0,3 mm (Δa = 0,08 mm).
Ein weiteres Problem stellt die perspektivische Verzerrung des Musters durch die
Beobachtungsapertur dar.
Für eine gleichzeitige, hochgenaue laterale Auflösung der Oberfläche und der Form sind
diese Verfahren damit nur bedingt geeignet und erfordern im Allgemeinen einen hohen
Rechenaufwand, um die Messergebnisse für einen Formparameter (Oberflächennormale
oder Höhe) qualitativ und quantitativ der Realität anzunähern.
- 1. [1]: Deutsches Patent DE 197 57 106 A1
- 2. [2]: Unitet States Patent: 5,309,222
- 3. [3]: Jürgen Beyerer, Denis Pérard, Automatische Inspektion spiegelnder Freiformflächen anhand von Rasterreflexionen, tm - Technisches Messen 64, S. 395-400, R. Oldenbourg Verlag, 1997
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur optischen Vermessung von
spiegelnden Oberflächen zu schaffen, mit dem eine eindeutige, schnelle Vermessung und
Auswertung spiegelnder Freiformflächen möglich ist. Das Verfahren soll gleichzeitig eine
hohe, laterale Auflösung der Oberfläche und eine präzise Erfassung der Form erlauben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und der
Unteransprüche gelöst.
Die Nutzung der geometrisch-optischen Eigenschaften des Lichts beruht immer auf dem
Prinzip der Triangulation, d. h. es werden bekannte Informationen des Dreiecks aus
Beleuchtung (Light), Objektoberfläche (Surface) und Beobachtung (Optic) zur
Bestimmung der Parameter der Form verwendet.
Für das Dreieck OSL gilt in vektorieller Form im R3 (vgl. Abb. 1):
l = σs - ρr; (Gleichung 1)
Für spiegelnde Oberflächen gilt weiter das Reflexionsgesetz:
r = 2nnTs - s; (Gleichung 2)
Die Komponentengleichungen von Gleichung 1 müssen für eine Bestimmung des Ortes
eindeutig lösbar sein. Um wenigstens die lokale Neigung des Objektes erfassen zu können,
muss Gleichung 2 ein eindeutiges Ergebnis liefern. (Anders als bei [3], werden hier beide
Gleichungen getrennt betrachtet, um zu einer Lösung des Problems zu kommen.)
Durch die Beobachtung mit einer Kamera ist eine Sichtrichtung für jeden Messpunkt
vorgegeben. Damit eine Beleuchtungsrichtung r mit einer bestimmten Sichtrichtung s
korreliert werden kann, muss deren reflektierter Lichtstrahl auch detektiert werden, d. h.
mit der Sichtrichtung übereinstimmen.
Wenn nun aus jeder Richtung des Raumes ein eindeutig codierter Lichtstrahl kommt, dann
wird es auch einen reflektierten Strahl geben, der mit der Beobachtungsrichtung
übereinstimmt, d. h. die Gleichungssysteme sind eindeutig lösbar.
Für eine parallele Erfassung der gesamten Oberfläche und deren Parameter der Form
(Höhe und Flächennormale jedes Oberflächenpunktes) ist es deshalb notwendig, dass eine
so genannte "aktive" Beleuchtung den Raum über dem Objekt eindeutig, d. h. in drei
Dimensionen, codiert.
Die Halbgerade eines Beleuchtungsstrahls im Raum ist dabei definiert durch:
b = l + ρr; ρ < 0; (Gleichung 3)
Die Beleuchtung lässt sich damit eindeutig durch den Ort l, von welchem ein Lichtstrahl
ausgeht, und dessen Richtung r festlegen.
Erfindungsgemäß muss deshalb der Raum über dem Objekt durch eine aktive Beleuchtung
bzgl. dem Ort l und der Richtung r geeignet codiert werden, um die Koordinaten und die
Neigung jedes Oberflächenpunktes ermitteln zu können. Um wenigstens die Normale
bestimmt zu erfassen, muss zumindest die Beleuchtungsrichtung r eindeutig codiert sein.
Dieses Vorgehen lässt sich auch im Vergleich mit parallelen Triangulationsverfahren auf
optisch rauen Oberflächen anschaulich begründen:
Matte Oberflächen werden mit einer Kamera räumlich bereits zweidimensional erfasst. Es
genügt deshalb die Codierung des Objektes durch eine aktive Beleuchtung mittels
bekannter Verfahren (z. B. Intensitätscodierung durch Phasenshiftverfahren) - linear
unabhängig dazu - in einer Dimension.
Spiegelnde Oberflächen zu "sehen" ist dagegen nicht möglich. Das Objekt wird mit einer
Kamera nicht, d. h. in keiner Dimension wahrgenommen. Man sieht lediglich die darin
reflektierte Umgebung. Um die Form dreidimensional bestimmen zu können, ist es deshalb
notwendig die Umgebung, d. h. den Raum in drei Dimensionen zu codieren. Um die
Oberflächennormale bestimmen zu können, muss die Beleuchtungsrichtung geeignet
codiert werden.
Damit wird auch deutlich, warum es für eine eindeutige Bestimmung der Parameter der
Form nicht genügt ein zweidimensionales diffus streuendes Muster zu betrachten, denn
dabei ist nur der Ausgangspunkt l jedes Lichtstrahls, jedoch nicht die Richtung r eindeutig.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Text und Zeichnung
dargestellt und ein Verfahren zur physikalischen Optimierung beschrieben.
Abb. 2 zeigt ein Beispiel für die technische Realisierung der Richtungscodierung. Es wird
eine Ebene räumlich eindeutig mit Licht codiert. Eine große Linse wird im Abstand f ihrer
Brennweite vor der Lichtebene aufgestellt. Das Licht - und damit die Codierung - jedes
Punktes wird mit parallelen Strahlen und bestimmter Richtung nach "unendlich"
abgebildet. Der Raum ist bzgl. der Beleuchtungsrichtung r eindeutig codiert.
Eine telezentrische Beobachtung ist von Vorteil, um nicht nur eine eindeutige Aussage
über die Oberflächennormale und sondern auch die Größe des Objektes machen zu können
(vgl. Abb. 3). Die Kamera erfasst damit die laterale Position (x, y) eines Messpunktes
explizit als Koordinate auf dem Kamerachip (x', y'). Eine qualitative Integration der
Messdaten eines kalibrierten Systems, für eine dreidimensionale Darstellung ist damit
möglich.
Abb. 4 zeigt einen Aufbau mit Strahlteiler, um eine gleichzeitige Beleuchtung und
Beobachtung des Objektes von "oben" realisieren zu können.
Die Kamera ist für eine genaue Ortsauflösung auf das Objekt zu fokussieren.
Durch den Aperturwinkel u kommt es zu einer Unschärfe, mit der die Richtungscodierung
erfasst werden kann. Eine Codierung mittels sinusförmiger Intensitätsverläufe, durch
bekannte Verfahren (z. B. so genannte Phasenshiftverfahren) in zwei Dimensionen, erlaubt
eine hohe Auflösung der Richtung innerhalb dieser Unschärfe.
Praktisch lässt sich diese Codierung, z. B. durch eine zeitlich sequentielle Projektion der
Streifenmuster auf eine Mattscheibe, realisieren. Die Kamera nimmt jedes Bild dieser
Sequenz auf, um in einer anschließenden Auswertung die Phase pixelweise bestimmen zu
können.
Als Projektionstechnik bietet sich der Einsatz von Projektoren mit DigitalMirrorDevices
an. Die Qualität des Intensitätsverlaufs, die erreichbare Lichtintensität und der Kontrast
stellen nach dem aktuellen Stand der Entwicklung den besten Kompromiss dar. Muster
können beliebig programmiert werden und schnelle Umschaltzeiten für die sequentielle
Beleuchtung sind realisierbar. Andere Projektionstechniken, z. B. eine astigmatische
Projektion binärer Sinusgitter, wie sie bereits aus Triangulationssensoren bekannt sind,
können natürlich auch verwendet werden. Alternativ ist auch der Einsatz eines elektronisch
gesteuerten Bildschirms als Lichtebene denkbar.
Die Breite einer Periode auf der Beleuchtungsebene gilt es, um die physikalisch
bestmögliche Genauigkeit zu erreichen so zu wählen, dass der minimale Streifenabstand
nicht kleiner ist, als 2 . f . tan(u). Damit lässt sich eine Unschärfe der erfassten
Flächennormale von δα = 2u/Q realisieren, wobei die technisch mögliche Auflösung einer
Sinusperiode mit 1/Q gegeben ist.
Als physikalische Grenze ergibt sich mit Rayleigh die Unschärferelation
Der Einsatz anderer Codierungsmöglichkeiten mit einem anderen Intensitätsmuster oder
eine Codierung durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts ist denkbar.
Um ohne Integration zu dreidimensionalen Daten zu gelangen, ist - wie bereits beschrieben
- eine zusätzliche Codierung des Ortes, von welchem die richtungscodierten Strahlen
ausgehen, notwendig. Dies kann durch ein Intensitätsmuster oder Farbmuster im
Durchlicht zwischen Linse und Objekt realisiert werden. Abb. 6 zeigt eine Möglichkeit der
Realisierung durch zusätzliche Codierung mit der Wellenlänge. Dies ist z. B. durch einen
Farbfilter mit Muster, nach der Linse, möglich. Vorzugsweise ist auch hier ein Sinusmuster
zu wählen.
Ein Vorteil der Erfindung gegenüber den bisherigen Verfahren ist die Eindeutigkeit der
gewonnenen Formdaten, d. h. der Oberflächennormale bei alleiniger Richtungscodierung
und der Höhe, bei zusätzlicher Codierung des Ortes, von dem der jeweilige Lichtstrahl
ausgeht.
Bei der Bestimmung der Oberflächennormale gibt es keine Probleme durch
perspektivischer Verzerrungen und auch kein Schärfentiefeproblem, denn die Kamera
muss nur auf das Objekt fokussiert werden. Eine gleichzeitig hochgenaue, laterale
Auflösung der Oberfläche und eine präzise Bestimmung der Form ist möglich. Ein
mikroskopischer Aufbau ist technisch, bis zur physikalischen Grenze durch Rayleigh,
realisierbar.
Claims (11)
1. Verfahren zum optischen Messen der Form spiegelnder Oberflächen, dadurch
gekennzeichnet, dass der Raum über dem Objekt, durch eine aktive Beleuchtung
mit der Intensität und/oder der Wellenlänge des Lichts, vorzugsweise in drei
Dimensionen, zumindest aber bzgl. der Beleuchtungsrichtung, eindeutig codiert
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der codierte Raum über
die spiegelnde Oberfläche auf den Bildsensor einer elektronischen Kamera
abgebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine telezentrische
Beobachtung verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungscodierung
durch eine Abbildung einer mit Licht codierten Ebene durch eine große Linse im
Abstand ihrer Brennweite von der Ebene realisiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die
Richtungscodierung eine zeitlich sequentielle Codierung mit sinusförmiger
Intensitätsverteilung in zwei Dimensionen verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Codierung
der Lichtebene durch Projektion auf eine Streuscheibe erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als codierte
Lichtebene ein elektronisch gesteuerter Bildschirm verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale
Periodenbreite für die physikalisch bestmögliche Genauigkeit, auf der Lichtebene
zu 2 . f . tan(u) gewählt wird.
9. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Ort von welchem ein richtungscodierter Lichtstrahl ausgeht, mit einem Intensitäts-
oder Farbmuster - vorzugsweise sinusförmig - zwischen Linse und Objekt im
Durchlicht codiert wird.
10. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Strahlengang der aktiven Beleuchtung und der Strahlengang der Beobachtung über
einen Strahlteiler vereinigt werden.
11. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass
störende Reflexionen an Grenzflächen eines zu prüfenden Objektes durch Kontakt
mit lichtabsorbierenden Stoffen gleicher Brechzahl unterdrückt werden.
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