DE10014964C2

DE10014964C2 - Verfahren zum optischen Messen der Form spiegelnder Oberflächen

Info

Publication number: DE10014964C2
Application number: DE2000114964
Authority: DE
Inventors: Rainer Sesner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-03-25
Filing date: 2000-03-25
Publication date: 2002-04-11
Anticipated expiration: 2020-03-26
Also published as: DE10014964A1

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

a) Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

b) Gewerbliche Anwendbarkeit

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.

c) Stand der Technik

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 ebenfalls 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.

Quellen

[1]: Deutsches Patent DE 197 57 106 A1
[2]: Unitet States Patent: 5,309,222
[3]: Jürgen Beyerer, Denis Pérard, Automatische Inspektion spiegelnder Freiformflächen anhand von Rasterreflexionen, tm - Technisches Messen 64, S. 395-400, R. Oldenbourg Verlag, 1997

d) Aufgabe der Erfindung

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.

e) Darstellung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 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 = 2nn^Ts - 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 zumindest bzgl. der Richtung r geeignet codiert werden, um die Neigung jedes Oberflächenpunktes ermitteln zu können. Durch zusätzliche Codierung des Ortes l, lassen sich auch die Koordinaten jedes Oberflächenpunktes bestimmen.

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 zumindest 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.

f) Ausführungsbeispiele

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.

Verfahren zur physikalischen Optimierung bzgl. der gleichzeitig hohen Auflösung der Oberfläche und der Form (vgl. Abb. 5)

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.

g) Vorteile der Erfindung

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

1. Verfahren zum optischen Messen der Form spiegelnder Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum über der spiegelnden Oberfläche, durch eine aktive Beleuchtung mit der Intensität und/oder der Wellenlänge des Lichts, zumindest bzgl. der Beleuchtungsrichtung, eindeutig codiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum über der spiegelnden Oberfläche in drei Dimensionen eindeutig codiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das den Raum codierende Licht über die spiegelnde Oberfläche und Abbildungsmittel auf den Bildsensor einer elektronischen Kamera gelangt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass telezentrische Abbildungsmittel verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Richtungscodierung eine große Linse im Abstand ihrer Brennweite von einer mit Licht codierten Ebene angeordnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Codierung der Lichtebene durch Projektion auf eine Streuscheibe erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als codierte Lichtebene ein elektronisch gesteuerter Bildschirm verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Richtungscodierung eine zeitlich sequentielle Codierung mit sinusförmiger Intensitätsverteilung in zwei Dimensionen verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Periodenbreite für die physikalisch bestmögliche Genauigkeit auf der Lichtebene zu 2.f.tan(u) gewählt wird.

10. 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.

11. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang der aktiven Beleuchtung und der Strahlengang der Beobachtung im Abschnitt über der spiegelnden Oberfläche über einen Strahlteiler vereinigt werden.

12. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass störende Reflexionen an weiteren Grenzflächen des Objektes mit der spiegelnden Oberfläche durch Kontakt mit lichtabsorbierenden Stoffen gleicher Brechzahl unterdrückt werden.