DE10040323C2

DE10040323C2 - Device and method for optically measuring the height profile of a surface

Info

Publication number: DE10040323C2
Application number: DE2000140323
Authority: DE
Inventors: Dieter Schubert
Original assignee: Polytec Gesellschaft fur Analysen- Mes- und Regeltechnik Mbh & Co KG
Current assignee: Polytec Gesellschaft fur Analysen- Mes- und Regeltechnik Mbh & Co KG
Priority date: 2000-08-17
Filing date: 2000-08-17
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2020-08-18
Also published as: DE10040323A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum optischen Vermes sen des Höhenprofils einer Oberfläche.The invention relates to a device and a method for optical measurement the height profile of a surface.

Die Erfindung befasst sich mit einem optischen Profilometer, bei dem Licht aus einer kurzkohärenten Lichtquelle, das entweder schon parallel vorliegt oder mittels einer Kollimatoroptik parallelisiert wurde, in einer Strahlteilervorrichtung in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt wird, wobei der Referenzstrahl an einer Referenzfläche und der Messstrahl an der Oberfläche des zu vermessenden Objekts rückgestreut wird. Die Information über das Höhenprofil der Objektoberflä che wird dann aus einer Überlagerung des reflektierten Referenzstrahls mit dem rückgestreuten Messstrahl gewonnen. Diese Überlagerung ergibt ein Interferenz muster, das sowohl direkt an einer als Projektionsfläche oder Bildschirm ausgebil deten Auswerteeinheit, oder über eine Abbildungsoptik analysiert und ausgewertet werden kann. Es handelt sich mithin um ein Michelson-Interferometer, mit welchem die Topographie einer höhenprofilierten Objektoberfläche abgescannt und entspre chend erfasst werden kann.The invention is concerned with an optical profilometer in which light is switched off a short-coherent light source that is either already in parallel or by means of a collimator optics was parallelized, in a beam splitter device into one Measuring beam and a reference beam is divided, with the reference beam on a reference surface and the measuring beam on the surface of the surface to be measured Property is scattered back. The information about the height profile of the object surface che is then from an overlay of the reflected reference beam with the backscattered measurement beam obtained. This overlay creates interference pattern that can be trained directly on a projection screen or screen deten evaluation unit, or analyzed and evaluated via imaging optics can be. It is therefore a Michelson interferometer with which the topography of a height-profiled object surface is scanned and corresponds can be recorded accordingly.

Das profilometrische Vermessen einer höhenprofilierten Oberfläche über einen Scanvorgang mit einem bekannten Interferometer ist jedoch sehr aufwendig, da für den Scanvorgang sehr exakt justierte, mechanisch bewegte Teile, wie Drehspie gel o. ä., vorhanden sein müssen. In der Natur des Scanning liegt es auch, dass ein Messvorgang eine gewisse, möglicherweise nachteilige Zeitdauer in Anspruch nimmt.The profilometric measurement of a height-profiled surface over one However, scanning with a known interferometer is very complex, because for mechanically moving parts, such as rotating spit, have been adjusted very precisely gel or similar must be available. It is also in the nature of scanning that a measuring process takes a certain, possibly disadvantageous period of time takes.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun de, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit dem das Hö henprofil einer Oberfläche oder auch höhenkodierte Zeichen auf einem flächigen Objekt schnell und genau sowie mit unaufwendigen Mitteln optisch vermessen und gegebenenfalls erkannt werden können. Starting from this prior art, the invention is based on the object de to provide a method and an apparatus with which the Hö hen profile of a surface or height-coded characters on a flat surface Object quickly and precisely and optically measured with inexpensive means and can be recognized if necessary.

Diese Aufgabe ist durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des beigefügten Pa tentanspruchs 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des beigefügten Patentanspruchs 12 gelöst.This object is achieved by a device with the features of the attached Pa claim 1 and with a method with the features of the attached Claim 12 solved.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 10; eine bevorzugte Verwendung der Vorrichtung ist in Anspruch 11 niederge legt. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 13 bis 22.Advantageous further developments of the device result from claims 2 until 10; a preferred use of the device is in claim 11 sets. There are advantageous developments of the method according to the invention in claims 13 to 22.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält also eine kurzkohärente Lichtquelle zum Aussenden eines parallelen oder parallelisierten Lichtstrahls. Diese Licht quelle kann beispielsweise eine Halogenlampe mit Kollimatoroptik, eine Xenon- Kurzbogenlampe oder auch ein breitbandig emittierender Laser sein. Ferner ent hält die Vorrichtung eine Strahlteilervorrichtung zum Aufteilen des Lichtstrahls in einen Messstrahl, der auf die Oberfläche des zu vermessenden Objekts fällt, und einen Referenzstrahl, eine Referenzfläche zum Reflektieren des Referenzstrahls, sowie eine Auswerteeinheit zum Erfassen des sich durch eine Überlagerung des reflektierten Referenzstrahls und des von der zu vermessenden Oberfläche rück gestreuten Messstrahls ergebenden Interferenzmusters. Diese Auswerteeinheit kann im einfachsten Fall eine Projektionsfläche sein; es ist aber auch möglich, hierfür ein Mikroskop oder, besonders bevorzugt, eine digital bildverarbeitende Kamera, normalerweise eine CCD-Kamera, vorzusehen, der gegebenenfalls eine Abbildungsoptik vorgeschaltet ist.The device according to the invention thus contains a short-coherent light source for emitting a parallel or parallelized light beam. This light source can be, for example, a halogen lamp with collimator optics, a xenon Short-arc lamp or a broadband emitting laser. Furthermore ent the device maintains a beam splitter device for splitting the light beam into a measuring beam falling on the surface of the object to be measured, and a reference beam, a reference surface for reflecting the reference beam, as well as an evaluation unit for detecting the overlay of the reflected reference beam and the back of the surface to be measured scattered measuring beam resulting interference pattern. This evaluation unit can be a projection surface in the simplest case; but it is also possible a microscope or, particularly preferably, a digital image processor Camera, usually a CCD camera to provide, possibly one Imaging optics is connected upstream.

Erfindungsgemäß werden die Referenzfläche und die zu vermessende Oberfläche nun so von der Strahlteilervorrichtung beabstandet, dass der Messstrahl zu einer Objektebene, die eine über das Höhenprofil der zu vermessenden Oberfläche ge mittelte Ebene darstellt, und zurück eine im Wesentlichen gleiche Weglänge zu rücklegt, wie der Referenzstrahl zur Referenzfläche und zurück; die (mittlere) Ob jektebene und die in den Objektraum gespiegelte Ebene der Referenzfläche liegen daher im Wesentlichen übereinander. Allerdings wird nun nicht, wie bei einem übli chen Michelson-Interferometer notwendigerweise vorgegeben, die Referenzfläche so zum Strahlteiler und der Objektebene justiert, dass die in den Objektraum gespiegelte Ebene der Referenzfläche planparallel zur Objektebene verläuft, son dern es wird bewusst die Referenzfläche und/oder die Objektebene verschwenkt, so dass die in den Objektraum gespiegelte Ebene der Referenzfläche und die Ob jektebene einen Faltungswinkel F einschließen.According to the invention, the reference surface and the surface to be measured now so spaced from the beam splitter device that the measuring beam to a Object plane, which is a ge over the height profile of the surface to be measured represents middle plane, and back a substantially equal path length travels like the reference beam to the reference surface and back; the (middle) Ob object plane and the plane of the reference surface reflected in the object space therefore essentially one above the other. However, now is not like an übli Chen Michelson interferometer necessarily specified the reference area so adjusted to the beam splitter and the object plane that that in the object space mirrored plane of the reference surface runs plane-parallel to the object plane, son the reference surface and / or the object plane is deliberately pivoted, so that the plane of the reference surface reflected in the object space and the Ob include a folding angle F on the project plane.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass dieses Verschwenken der Referenzflä che und/oder der Objektebene um einen Faltungswinkel F nicht etwa zu fehlerhaf ten und indifferenten Messergebnissen führt, sondern zu einem Interferenzmuster, dessen Form in der Bildebene der Auswerteeinheit das Höhenprofil des Objektes in einer Schnittebene senkrecht zum Faltungswinkel exakt proportional und bezüg lich der Höhe vergrößert wiedergibt: Überall dort, wo die in den Objektraum ge spiegelte Ebene der Referenzfläche die Oberfläche des zu vermessenden Objekts schneidet, entsteht durch Interferenz des Messstrahls und des Referenzstrahls eine strukturierte Lichtverteilung, deren Feinstruktur gleich der halben mittleren Lichtwellenlänge in Messstrahlrichtung entspricht.According to the invention, it has been recognized that this pivoting of the reference surface surface and / or the object plane about a folding angle F is not too faulty and indifferent measurement results, but leads to an interference pattern, whose shape in the image plane of the evaluation unit is the height profile of the object in a sectional plane perpendicular to the folding angle, exactly proportional and related increased the height: Wherever the ge in the object space level of the reference surface reflected the surface of the object to be measured cuts, arises from interference of the measuring beam and the reference beam a structured light distribution, whose fine structure is equal to half the middle one Corresponds to the light wavelength in the measuring beam direction.

Selbstverständlich lässt sich hiermit lediglich eine Schnittlinie der Objektoberfläche erhalten; für die meisten Anwendungen, wie beispielsweise das Prüfen und Erken nen von höhenkodierten Zeichen, die durch Präge- bzw. Aufdruckverfahren auf flächigen Gegenständen aufgebracht sind, ist dies ausreichend. Demgegenüber steht der große Vorteil, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne einen Scan- Vorgang und damit ohne mechanisch bewegte Teile auskommt. Die Vorrichtung kann daher sehr klein und unaufwendig sowie praktisch wartungsfrei aufgebaut werden, wobei sie dennoch die Topographie eines höhenstrukturierten Objekts mit lichtinterferometrischer Genauigkeit vermessen kann, was u. a. bedeutet, dass der Messstrahl nahezu senkrecht auf die Objektoberfläche auftrifft und im Wesentli chen der Hauptbestandteil des an der Objektoberfläche gestreuten Lichts, nämlich der rückgestreute Anteil, zur Messung verwendet wird, und dass die Messgenauig keit der Vorrichtung unabhängig vom Öffnungsverhältnis einer zur Auswertung ver wendeten Abbildungsoptik ist.Of course, you can only use this to cut a line of the object surface receive; for most applications, such as testing and detection of height-coded characters, which are embossed or imprinted flat objects are applied, this is sufficient. In contrast, there is the great advantage that the device according to the invention without a scan Process and therefore works without mechanically moving parts. The device can therefore be built very small and inexpensive and practically maintenance-free , but still with the topography of a height-structured object light interferometric accuracy can measure what u. a. means the Measuring beam strikes the object surface almost perpendicularly and essentially Chen is the main component of the light scattered on the object surface, namely the backscattered portion that is used for measurement, and that the measurement is accurate speed of the device regardless of the opening ratio of a ver for evaluation used imaging optics.

Eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung macht sich ge nau diese Vorteile zunutze: Aufgrund der Eigenschaften, in sehr kurzer Zeit und mit großer Genauigkeit Profilschnitte eines flächigen Gegenstands herstellen und bewerten zu können, ist die Vorrichtung prädestiniert zum Erkennen und/oder Prüfen von oberflächenprofilierten oder mit höhenkodierten Echtheitszeichen ver sehenen Geldscheinen oder ähnlichen Wertgegenständen. Die unaufwendige Bau weise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht dabei, sie in Fahrkartenau tomaten, Parkhausautomaten und dergleichen einzusetzen, um die Echtheit der dort zur Bezahlung verwendeten Geldscheine zu prüfen und/oder deren Wert zu erkennen. Da keinerlei mechanisch bewegte Teile vorhanden sein müssen, ergibt sich darüber hinaus eine praktische Wartungsfreiheit der erfindungsgemäßen Vor richtung.A preferred use of the device according to the invention makes itself ge Take advantage of these advantages: Due to the properties, in a very short time and make profile cuts of a flat object with great accuracy and To be able to evaluate, the device is predestined for recognition and / or Checking surface-profiled or with height-coded authenticity signs seen banknotes or similar valuables. The uncomplicated construction way, the device according to the invention enables it in Fahrkartenau tomatoes, parking garage machines and the like to ensure the authenticity of the to check banknotes used for payment there and / or their value detect. Since there are no mechanically moving parts, this results there is also a practical freedom from maintenance of the invention direction.

Das Einstellen des Faltungswinkels F zwischen der Referenzflächenebene und der Objektebene ermöglicht eine Einstellung des Höhenmessbereichs des durch die Vorrichtung aufgenommenen Profilschnitts der Objektoberfläche.Setting the folding angle F between the reference surface plane and the Object level enables the height measurement range to be set by the Device recorded profile section of the object surface.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dementsprechend das Aufspalten eines parallelen oder parallelisierten Lichtstrahls einer kurzkohärenten Lichtquelle in ei nen Messstrahl und einen Referenzstrahl, das Reflektieren des Referenzstrahls an einer Referenzfläche, das Rückstreuen des Messstrahls an der Oberfläche eines in eine über das Höhenprofil der zu vermessenden Oberfläche gemittelte Objektebe ne verbrachten, zu vermessenden Objekts, das Zusammenführen und Überlagern des rückgestreuten Messstrahls und des reflektierten Referenzstrahls und das Auswerten der Interferenzen zwischen dem rückgestreuten Messstrahl und dem reflektierten Referenzstrahl, wobei die Referenzfläche und/oder die Objektebene so gegeneinander verschwenkt sind, dass die in den Objektraum gespiegelte Ebe ne der Referenzfläche und die Objektebene einen Faltungswinkel F einschließen.The method according to the invention accordingly comprises splitting one parallel or parallelized light beam from a short coherent light source in egg measuring beam and a reference beam, reflecting the reference beam a reference surface, the backscattering of the measuring beam on the surface of a an object averaged over the height profile of the surface to be measured ne spent object to be measured, merging and superimposing of the backscattered measuring beam and the reflected reference beam and that Evaluation of the interference between the backscattered measuring beam and the reflected reference beam, the reference surface and / or the object plane are pivoted so that the level reflected in the object space include a folding angle F of the reference surface and the object plane.

Soweit die Auswertung der Interferenzen zwischen dem rückgestreuten Messstrahl und dem reflektierten Referenzstrahl mit einer Auswerteeinheit vorgenommen wird, die eine digital bildverarbeitende Kamera enthält, ist es zweckmäßig, wenn diese Auswertung zeilenweise mit einer pixelgenauen Differenzbildung erfolgt, wobei sich dann besondere Vorteile ergeben, wenn die räumliche Orientierung des Fal tungswinkels und diejenige der digital bildverarbeitenden Kamera so aufeinander abgestimmt sind, dass die von einem Objekt mit ebener Oberfläche hervorgerufenen Interferenzlinien senkrecht zu den auszuwertenden Zeilen der Kamera ver laufen. Denn dann führt die längs des Profilschnitts verteilte Höhe der Objektober fläche zu einer jeweils proportionalen Auslenkung der strukturierten Lichtverteilung längs jeder Kamerazeile, wobei die Gesamtheit der Kamerazeilen den vollständi gen Profilschnitt des Objekts ergibt. Die Auswertung der strukturierten Lichtvertei lung bzw. des Interferenzmusters gestaltet sich verhältnismäßig einfach, obwohl der konstante Faltungswinkel und der Abbildungsmaßstab in die quantitative Aus wertung des gemessenen Höhenprofils eingehen.So much for the evaluation of the interference between the backscattered measuring beam and the reflected reference beam is carried out with an evaluation unit, which contains a digital image processing camera, it is useful if this Evaluation is carried out line by line with pixel-precise difference formation, whereby there are special advantages if the spatial orientation of the Fal tion angle and that of the digital image processing camera are coordinated that those caused by an object with a flat surface Ver interference lines perpendicular to the lines of the camera to be evaluated to run. Because then the height of the object top distributed along the profile section leads area for a proportional deflection of the structured light distribution along each camera line, the entirety of the camera lines completely profile section of the object results. The evaluation of the structured light distribution tion or the interference pattern is relatively simple, although the constant folding angle and the magnification in the quantitative Aus evaluation of the measured height profile.

Der Einsatzbereich der Erfindung wird nochmals wesentlich erweitert, wenn die Auswertung des Interferenzmusters selektiv nach unterschiedlichen Spektralberei chen und/oder mit weiteren optischen Vorrichtungen unterschieden erfolgt: Hier durch lassen sich optische Eigenschaften, wie beispielsweise eine Farbgebung von Objektoberflächen und/oder die chemische Zusammensetzung von darauf aufge brachten höhenkodierten Zeichen prüfen und erkennen.The field of application of the invention is again significantly expanded if the Evaluation of the interference pattern selectively according to different spectral ranges Chen and / or differentiated with other optical devices: Here optical properties, such as a coloring of Object surfaces and / or the chemical composition of it applied brought check and recognize height-coded characters.

Zweckmäßigerweise sind im Strahlengang des Referenzstrahls Mittel zum Ab schwächen der Lichtintensität und/oder zur Kompensation unterschiedlicher Licht wege im Glas eingebracht, um zur Auswertung der Messung möglichst zwei gleich wertig sich überlagernde Strahlenbündel zu erhalten.Appropriately, means for Ab are in the beam path of the reference beam weaken the light intensity and / or to compensate for different light Paths introduced in the glass, in order to evaluate the measurement if possible two of the same valuable to get superimposed beams.

Wenn mechanisch instabile Objekte, wie insbesondere Geldscheine, hinsichtlich ihrer Oberflächentopographie vermessen werden sollen, ist es zweckmäßig, das Objekt an eine lichtdurchlässige Platte anzulegen und gegebenenfalls anzupressen oder anzusaugen.When mechanically unstable objects, such as banknotes in particular, regarding their surface topography to be measured, it is appropriate that Place the object on a translucent plate and press on if necessary or suck.

Das vorzugsweise von einer digital bildverarbeitenden Kamera aufgenommene In terferenzmuster kann mit Hilfe eines an sich bekannten elektronischen Bildaus werteverfahrens in einem nachgeschalteten elektronischen Datenverarbeitungsge rät automatisch weiterverarbeitet und zur Steuerung beispielsweise eines Kassen automaten oder zur Ausgabe eines Warnsignals verwendet werden.The preferably recorded by a digital image processing camera The interference pattern can be made using a known electronic image valuation procedure in a downstream electronic data processing unit advises automatically processed and for controlling, for example, a till machines or used to issue a warning signal.

Die Referenzfläche oder das Objekt kann hierbei auf einen Aktuator gesetzt werden, mit dessen Hilfe die Referenzfläche oder das Objekt in Richtung des Referenzstrahls bzw. des Messstrahls geringfügig verschoben wird, wobei der Aktuator mit einer Steuereinheit in Wirkverbindung steht, welche die Auswerte einheit in Abhängigkeit von der Position des Aktuator triggert. Zweckmäßig ist dabei ein Verfahren, bei dem der Aktuator die Referenzfläche oder das Objekt für mehrere, vorzugsweise vier aufeinander folgende Messungen um jeweils ei nen bestimmten Bruchteil, z. B. ein Sechstel der mittleren Wellenlänge des ver wendeten Lichts verschiebt, wobei nach jeder Verschiebung ein Messvorgang von der Auswerteeinheit aufgenommen und die einzelnen Messvorgänge zum Schluss korreliert werden. Hierdurch wird das auszuwertende Interferenzmuster schärfer hervorgehoben. Die Verschiebung der Referenzfläche bzw. des Objekts kann dabei über einen piezoelektrischen Stellantrieb erfolgen. Die Korrelation der Einzelmessungen kann so durchgeführt werden, dass im Wesentlichen für jedes Pixel des digital aufgenommenen Bildes Differenzen der Helligkeitswer te H_i zwischen zwei Messvorgängen gebildet werden, wobei das Maximum der längs einer Pixelzeile mit der Koordinatenrichtung y gebildeten Kontrastfunkti on K(y) über die Beziehung K(y) = Σ[H_i(y) - H_i+1(y)]² ermittelt wird. Mit dieser Beziehung gewinnt man ein gutes Maß, um die Lage des Maximums K(y_max) zu bestimmen.The reference surface or the object can be placed on an actuator, with the aid of which the reference surface or the object is slightly shifted in the direction of the reference beam or the measuring beam, the actuator being operatively connected to a control unit which the evaluation unit as a function of the position of the actuator triggers. A method is expedient in which the actuator the reference surface or the object for several, preferably four successive measurements, each by a certain fraction, e.g. B. shifts a sixth of the mean wavelength of the light used ver, with a measurement process being recorded by the evaluation unit after each shift and the individual measurement processes being correlated at the end. As a result, the interference pattern to be evaluated is emphasized more sharply. The reference surface or the object can be shifted via a piezoelectric actuator. The correlation of the individual measurements can be carried out in such a way that differences in the brightness values H _i between two measurement processes are essentially formed for each pixel of the digitally recorded image, the maximum of the contrast function K (y) formed along a pixel line with the coordinate direction y above the relationship K (y) = Σ [H _i (y) - H _{i + 1} (y)] ^{2 is} determined. This relationship gives a good measure to determine the location of the maximum K (y _max ).

Insbesondere für die bevorzugte Verwendung zur Erkennung und Prüfung von Geldscheinen oder sonstigen Wertgegenständen ist es zweckmäßig, die in der Auswerteeinheit erfassten Interferenzen zwischen dem rückgestreuten Messstrahl und dem reflektierten Referenzstrahl mit einem oder mit mehreren gespeicherten Eichbildern zu vergleichen. Dies kann selbstverständlich elektronisch und somit automatisch geschehen.Especially for the preferred use for the detection and testing of Banknotes or other valuables, it is appropriate that in the Evaluation unit detected interference between the backscattered measuring beam and the reflected reference beam with one or more stored Compare calibration images. Of course, this can be done electronically and therefore happen automatically.

Zwei Ausführungsbeispiele sowie drei Verfahrensbeispiele werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:Two exemplary embodiments and three method examples are given below described and explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, in einer schematischen Darstellung; Figure 1 shows the basic structure of a device according to the invention, in a schematic representation.

Fig. 2 eine Darstellung wie Fig. 1, jedoch eines anderen Ausführungs beispiels; Fig. 2 is an illustration like Figure 1, but of another embodiment example.

Fig. 3 das Messergebnis eines Versuchs mit einer ebenen Platte; FIG. 3 shows the measurement result of an experiment with a flat plate;

Fig. 4 das Messergebnis eines Versuchs mit einer oberflächentexturierten Platte; FIG. 4 shows the measurement result of an experiment with a surface textured plate;

Fig. 5 das Messergebnis eines Versuchs mit einer Platte, deren Oberfläche in Längsrichtung sinusförmig strukturiert ist. Fig. 5 shows the measurement result of an experiment with a plate whose surface is structured sinusoidally in the longitudinal direction.

Der in Fig. 1 schematisch gezeigte Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum optischen Vermessen des Höhenprofils einer Oberfläche umfasst eine Halo genlampe als kurzkohärente Lichtquelle 1, deren Licht in einer Kollimatoroptik 2 parallelisiert wird und als paralleler Lichtstrahl 3 auf eine Strahlteilervorrichtung 4 trifft, die ihn in einen Messstrahl 5 und einen Referenzstrahl 6 teilt. Der Mess strahl 5 trifft auf ein zu vermessendes Objekt 7 und wird von dort wieder in die Strahlteilervorrichtung 4 rückgestreut. Der Referenzstrahl 6 trifft auf einen Refe renzspiegel 8, von dem er in die Strahlteilervorrichtung 4 zurückreflektiert wird. Im Strahlengang des Referenzstrahls 6 befindet sich ein Kompensationsmittel 9 zur Abschwächung der Lichtintensität und zur Kompensation unterschiedlicher Licht wege im Glas. Der rückgestreute Messstrahl 5 und der reflektierte Referenzstrahl 6 werden in der Strahlteilervorrichtung 4 zusammengeführt und überlagert und das hieraus entstehende Interferenzmuster mittels einer telezentrischen Abbildungsop tik 10 auf das Target einer als Auswerteeinheit 11 fungierenden CCD-Kamera ab gebildet. Das von der CCD-Kamera aufgenommene Lichtverteilungsbild 12 zeigt dann ein Muster, dessen Kontrastmaxima dem gemessenen Oberflächenprofil ent sprechen, wie anhand der Fig. 3 bis 5 gezeigt wird.The structure shown schematically in FIG. 1 of a device according to the invention for optically measuring the height profile of a surface comprises a halogen lamp as a short-coherent light source 1 , the light of which is parallelized in a collimator lens 2 and as a parallel light beam 3 strikes a beam splitter device 4 , which strikes it in a Measuring beam 5 and a reference beam 6 divides. The measuring beam 5 strikes an object 7 to be measured and is scattered back into the beam splitter device 4 from there. The reference beam 6 strikes a reference mirror 8 , from which it is reflected back into the beam splitter device 4 . In the beam path of the reference beam 6 there is a compensation means 9 for weakening the light intensity and for compensating different light paths in the glass. The backscattered measuring beam 5 and the reflected reference beam 6 are brought together and superimposed in the beam splitter device 4 and the interference pattern resulting therefrom is formed by means of a telecentric imaging optics 10 onto the target of a CCD camera functioning as an evaluation unit 11 . The light distribution image 12 recorded by the CCD camera then shows a pattern whose contrast maxima correspond to the measured surface profile, as shown with reference to FIGS. 3 to 5.

Wie Fig. 1 deutlich zeigt, ist die Weglänge des Messstrahls 5 zwischen der Strahlteilervorrichtung 4 und dem Objekt 7 im Wesentlichen gleich der Weglänge des Referenzstrahls 6 zwischen der Strahlteilervorrichtung 4 und dem Referenz spiegel 8. Die in den Objektraum gespiegelte Ebene 13 des Referenzspiegels 8 liegt daher etwa auf der Objektebene 14. Erfindungsgemäß ist die Objektebene 14 allerdings gegenüber der in den Objektraum gespiegelten Ebene 13 des Referenz spiegels 8 um einen Faltungswinkel F verschwenkt, so dass die in den Objektraum gespiegelte Ebene 13 des Referenzspiegels 8 schräg durch die Struktur der Ober fläche 15 des zu vermessenden Objekts 7 verläuft. Überall dort, wo die gespiegelte Ebene 13 des Referenzspiegels 8 die Oberfläche 15 des Objekts 7 schneidet, ent steht durch Interferenz des Messstrahls 5 und des Referenzstrahls 6 in der Auswerteeinheit 11 eine strukturierte Lichtverteilung, deren Feinstruktur gleich der halben mittleren Lichtwellenlänge in Richtung des Messstrahls 5 entspricht. Das Objekt 7, dessen Oberfläche 15 zu vermessen ist, wird, um reproduzierbare Rand bedingungen zu schaffen, auf eine lichtdurchlässige Platte 16 aufgelegt. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Objektebene 14 in gewünschter Weise festgelegt ist.As shown in Fig. 1 clearly shows, the path length of the measuring beam 5 between the beam splitting device 4 and the object 7 is substantially equal to the path length of the reference beam 6 between the beam splitting device 4 and the reference mirror 8. The plane 13 of the reference mirror 8 reflected in the object space therefore lies approximately on the object plane 14 . According to the invention the object plane 14 is, however, pivoted relative to the mirrored in the object space plane 13 of the reference mirror 8 at a folding angle F so that the mirrored in the object space plane 13 of the reference mirror 8 obliquely through the structure of the upper surface of the runs 15 object to be measured 7 , Wherever the mirrored plane 13 of the reference mirror 8 intersects the surface 15 of the object 7 , there is a structured light distribution due to the interference of the measuring beam 5 and the reference beam 6 in the evaluation unit 11 , the fine structure of which is equal to half the average light wavelength in the direction of the measuring beam 5 equivalent. The object 7 , the surface 15 of which is to be measured, is placed on a translucent plate 16 in order to create reproducible boundary conditions. This ensures that the object plane 14 is set in the desired manner.

Fig. 2 zeigt im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie Fig. 1, wobei gleiche Ele mente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass im Wesentlichen auf die obige Beschreibung der Fig. 1 verwiesen werden kann. FIG. 2 shows essentially the same structure as FIG. 1, the same elements being provided with the same reference numerals, so that reference can essentially be made to the above description of FIG. 1.

In Fig. 2 ist allerdings eine insofern andere Ausführungsform wie in Fig. 1 dar gestellt, als der Referenzspiegel 8 auf einem piezoelektrischen Aktuator 17 befes tigt ist, mit dessen Hilfe er längs der Richtung Z verschoben werden kann. Eine Steuereinheit 18 ist mit dem Aktuator 17 und der eine digital bildverarbeitende Kamera 19 enthaltenden Auswerteeinheit 11 verbunden. Die Steuereinheit 18 er zeugt vier zu überlagernde Lichtverteilungsbilder 12, indem sie den Referenzspie gel 8 dreimal um jeweils λ/6 in Z-Richtung verschiebt und die Kamera 19 entspre chend triggert. Dabei erhält man für jedes Pixel mit der Zeilenkoordinate y im Lichtverteilungsbild 12 Helligkeitsdifferenzen aufeinanderfolgender Bilder, deren Beträge im Mittel dem lokalen Wert der Kontrastfunktion entsprechen. Mit
In FIG. 2, however, a so far another embodiment as shown in Fig. 1 is found buildin is Untitled than the reference mirror 8 on a piezoelectric actuator 17, by means of which he is the Z direction may be shifted longitudinally. A control unit 18 is connected to the actuator 17 and the evaluation unit 11 containing a digital image processing camera 19 . The control unit 18 he produces four light distribution images 12 to be superimposed by moving the reference mirror 8 three times by λ / 6 in the Z direction and triggering the camera 19 accordingly. For each pixel with the line coordinate y in the light distribution image, 12 brightness differences of successive images are obtained, the amounts of which correspond on average to the local value of the contrast function. With

K(y) = Σ[H_i(y) - H_i+1(y)]², i = 1, 2, 3 . . .
K (y) = Σ [H _i (y) - H _{i + 1} (y)] ² , i = 1, 2, 3. , ,

gewinnt man dann ein gutes Maß, um die Lage des Maximums von K(y_max) zu bestimmen.then you get a good measure to determine the location of the maximum of K (y _max ).

Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen Lichtverteilungsbilder 12 auf dem Target einer CCD- Kamera, die mit einem Versuchsaufbau entsprechend Fig. 2 beim Vermessen ver schiedener Objekte 7 erhalten wurden: Figs. 3, 4 and 5 show light distribution images 12 on the target of a CCD camera, which were obtained with a test set-up according to Figure 2 when measuring ver distinct objects of. 7:

Fig. 3 zeigt die durch Vermessen der Oberfläche einer ebenen Planplatte auf dem CCD-Kamerafeld erhaltene strukturierte Lichtverteilung. Die Richtung des Fal tungswinkels F war dabei mit der Zeilenstruktur der CCD-Kamera so in Übereinstimmung gebracht, dass die Lichtverteilungsmaxima senkrecht zur Zeilenrich tung 20 ausgerichtet sind. Man erkennt daher senkrecht zur Zeilenrichtung 20 eine Anzahl von Interferenzlinien 21, deren Kontrast zur Mitte hin ansteigt. Je größer der Faltungswinkel F ist, um so enger rücken die Interferenzlinien 21 zusammen. Fig. 3 shows the structured light distribution obtained by measuring the surface of a flat planar plate on the CCD camera array. The direction of the folding angle F was brought into line with the line structure of the CCD camera so that the light distribution maxima are oriented perpendicular to the line direction 20 . A number of interference lines 21 can therefore be seen perpendicular to the line direction 20 , the contrast of which increases towards the center. The larger the folding angle F, the closer the interference lines 21 are.

Fig. 4 zeigt ein der Fig. 3 entsprechendes Lichtverteilungsbild 12 auf dem Ka merafeld einer CCD-Kamera mit dem Versuchsaufbau nach Fig. 2 und einem identischen Faltungswinkel F; allerdings wurde für diesen Versuch eine oberflä chentexturierte Platte als Objekt vermessen. Es handelte sich hier um die Ober fläche eines Rauigkeitsnormals. Man erkennt, dass die regelmäßige Folge der In terferenzlinien 21 durch das Profil und die Mikrorauigkeit der vermessenen Ober fläche gestört wird. Bewertet man hauptsächlich die Verschiebung der Interferenz linien 21 längs der Zeilenrichtung 20, dann erhält man einen stark vergrößerten Profilschnitt der Objektoberfläche, ausgeführt senkrecht zur Bildzeilenrichtung 20. FIG. 4 shows a light distribution image 12 corresponding to FIG. 3 on the camera field of a CCD camera with the experimental setup according to FIG. 2 and an identical folding angle F; however, a surface-textured plate was measured as an object for this experiment. It was the surface of a roughness standard. It can be seen that the regular sequence of the interference lines 21 is disturbed by the profile and the micro-roughness of the measured surface. If one evaluates mainly the displacement of the interference lines 21 along the line direction 20 , then one obtains a greatly enlarged profile section of the object surface, executed perpendicular to the image line direction 20 .

Fig. 5 ist die Abbildung eines Lichtverteilungsbildes 12 im Kamerafeld einer CCD- Kamera, das mit demselben Versuchsaufbau wie demjenigen, der zu den Fig. 3 und 4 geführt hat, gewonnen wurde. Hier wurde allerdings ein Objekt mit einer in Längsrichtung sinusförmig strukturierten Oberfläche vermessen. Wie man deutlich erkennt, ist diese sinusförmige Topographie des Objekts durch die Interferenz linien 21 auf dem Kamerafeld als Profilschnitt stark vergrößert dargestellt. FIG. 5 is the image of a light distribution image 12 in the camera field of a CCD camera, which was obtained with the same experimental setup as that which led to FIGS. 3 and 4. Here, however, an object with a surface structured sinusoidally in the longitudinal direction was measured. As can be clearly seen, this sinusoidal topography of the object is shown greatly enlarged by the interference lines 21 on the camera field as a profile section.

Wie anhand der in den Fig. 3 bis 5 dargestellten Versuchsergebnisse unmittel bar einleuchtet, können übliche Bilderkennungsalgorithmen verschiedene typi sierte Oberflächenstrukturen von vermessenen Objekten anhand der erhaltenen Lichtverteilungsbilder ohne weiteres erkennen. As is immediately evident from the test results shown in FIGS . 3 to 5, conventional image recognition algorithms can easily recognize various typified surface structures of measured objects on the basis of the light distribution images obtained.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Lichtquelle
light source

22

Kollimatoroptik
collimator optics

33

Lichtstrahl
beam of light

44

Strahlteilervorrichtung
Beam splitting device

55

Messstrahl
measuring beam

66

Referenzstrahl
reference beam

77

Objekt
object

88th

Referenzspiegel
reference mirror

99

Kompensationsmittel
compensation means

1010

Abbildungsoptik
imaging optics

1111

Auswerteeinheit
evaluation

1212

Lichtverteilungsbild
Light distribution pattern

1313

Ebene
level

1414

Objektebene
object level

1515

Oberfläche (von Surface (of

77

)
)

1616

Platte
plate

1717

Aktuator
actuator

1818

Steuereinheit
control unit

1919

Kamera
camera

2020

Zeilenrichtung
line direction

2121

Interferenzlinien
F Faltungswinkel
Z Bewegungsrichtung
λ Lichtwellenlänge
y Koordinate in Zeilenrichtung
interference lines
F folding angle
Z direction of movement
λ light wavelength
y Coordinate in the row direction

Claims

1. Device for optically measuring the height profile of a surface, with
a short-coherent light source ( 1 ) for emitting a parallel or parallelized light beam ( 3 ),
a beam splitter device ( 4 ) for splitting the light beam ( 3 ) into a measuring beam ( 5 ) which falls on the surface ( 15 ) of an object ( 7 ) to be measured, and a reference beam ( 6 ),
a reference surface ( 8 ) for reflecting the reference beam ( 6 ),
an evaluation unit ( 11 ) for detecting the interference pattern which results from a superimposition of the reflected reference beam ( 6 ) and the measuring beam ( 5 ) backscattered from the surface ( 15 ) to be measured,
and means which define an object plane ( 14 ) averaged over the height profile of the surface ( 15 ) to be measured such that the object plane ( 14 ) and the plane ( 13 ) of the reference surface ( 8 ) reflected in the object space lie essentially one above the other in the measurement field , but are pivoted towards each other by a folding angle (F).

2. Device according to claim 1, characterized in that the evaluation unit ( 11 ) contains a digital image processing camera ( 19 ).

3. Device according to claim 2, characterized in that the evaluation unit ( 11 ) contains means for line-by-line evaluation of the interference patterns detected by the digital image processing camera ( 19 ).

4. The device according to claim 3, characterized in that the spatial orientations of the folding angle (F) and the digital image processing camera ( 19 ) are coordinated with one another in such a way that the interference lines ( 15 ) caused by an object ( 7 ) with a flat surface ( 15 ) 21 ) run perpendicular to the lines ( 20 ) of the camera ( 19 ) to be evaluated.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the evaluation unit ( 11 ) contains means for selecting different spectral ranges.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the beam path between the beam splitter device ( 4 ) and the reference surface ( 8 ) means ( 9 ) are provided for weakening the light intensity and / or for compensation different light paths in the glass ,

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the means for fixing the object plane ( 14 ) comprise a translucent plate ( 16 ) for applying the object to be measured ( 7 ).

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the evaluation unit ( 11 ) contains means for performing an electronic image evaluation method.

9. The device according to claim 8, characterized in that the reference surface ( 8 ) or the object ( 7 ) sit on an actuator ( 17 ), by means of which the reference surface ( 8 ) or the object ( 7 ) in the direction of the reference beam ( 6 ) or the measuring beam ( 5 ) is displaceable, the actuator ( 17 ) being operatively connected to a control unit ( 18 ) by means of which the evaluation unit ( 11 ) can be triggered.

10. The device according to claim 9, characterized in that the control unit ( 18 ) and the evaluation unit ( 11 ) are designed and switched so that the actuator ( 17 ) for several successive measurements, the reference surface ( 8 ) or the object ( 7 ) by a certain fraction, in particular a sixth, of the mean wavelength of the light used, with a measurement process being carried out by the evaluation unit ( 11 ) after each shift and the individual measurement processes being finally correlated.

11. Use of a device according to one of claims 1 to 10 for Er know and / or test surface-profiled or with height-coded time Chen provided banknotes.

12. A method for optically measuring the height profile of a surface, in which
a parallel or parallelized light beam from a short-coherent light source is split by a beam splitter device into a measuring beam that falls on the surface to be measured and a reference beam is split,
the reference beam is reflected on a reference surface,
the surface to be measured is placed in such a way that an object plane averaged over the height profile of the surface to be measured and the plane of the reference surface reflected in the object space essentially lie one above the other in the measuring field, but are pivoted relative to one another by a folding angle,
the backscattered measuring beam and the reflected reference beam are brought together and superimposed,
the interferences between the backscattered measuring beam and the reflected reference beam are evaluated.

13. The method according to claim 12, characterized, that the interference between the backscattered measuring beam and the right inflected reference beam with the help of a digital image processing camera be evaluated.

14. The method according to claim 13, characterized, that the evaluation is carried out line by line with pixel-precise difference formation.

15. The method according to claim 14, characterized, that the spatial orientations of the folding angle and the digital image processing camera are coordinated so that the one Object with flat surface caused interference lines perpendicular to the lines of the camera to be evaluated.

16. The method according to any one of claims 12 to 15, characterized, that the interference between the backscattered measuring beam and the reflect ted reference beam can be evaluated selectively in the spectral range.

17. The method according to any one of claims 12 to 16, characterized, that the light intensity of the reference beam is weakened and / or below different light paths of the reference beam and the measuring beam in the glass optical means can be compensated.

18. The method according to any one of claims 12 to 17, characterized, that the object is placed on a translucent plate for measurement.

19. The method according to any one of claims 12 to 18, characterized, that the interference between the backscattered measuring beam and the reflect based reference beam using an electronic image evaluation process get ranked.

20. The method according to claim 19, characterized, that the reference surface or the object in the direction of the reference beam or the Measuring beam around a certain fraction, in particular a sixth, the mean leren wavelength of the light used is shifted, after each ver a measurement process is carried out and the individual measurement processes at In the end be correlated.

21. The method according to claim 20, characterized in that for the correlation essentially for each pixel differences in the brightness values (H _i ) are formed between two measurement processes, the maximum of the contrast function formed along a pixel line with the coordinate direction (y) K (y) is determined via the relationship K (y) = Σ [H _i (y) - H _{i + 1} (y)] ² .

22. The method according to any one of claims 12 to 21, characterized, that the interference between the backscattered measuring beam and the reflect verified reference beam with one or more stored calibration images be compared.