DE102005007243A1

DE102005007243A1 - Formerfassung von reflektierenden Oberflächen durch codierte Lichtmuster in Echtzeit

Info

Publication number: DE102005007243A1
Application number: DE200510007243
Authority: DE
Inventors: Ulrich Krackhardt; Jochen Baehr
Original assignee: Bahr Jochen Dr
Current assignee: Bahr Jochen Dr
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2006-08-31

Abstract

Beschrieben wird im Folgenden ein Verfahren zur gleichzeitigen, kalibrierungsfreien, berührungslosen, absoluten und bildgebenden optischen Ermittlung der 3-D-Koordinaten von zusammenhängenden reflektierenden Oberflächen, wobei zur optischen Abtastung ein codiertes, tiefenscharfes Lichtmuster eingesetzt wird. DOLLAR A Die Oberflächen können entweder vollverspiegelt sein, wie bedampfte oder polierte Oberflächen, z. B. Spiegel, und Blechteile oder auch teilverspiegelt oder teilweise reflektierend sein, wie z. B. polierte oder hinreichend glatte Oberflächen transparenter Medien etwa Glasoberflächen, Flüssigkeitsoberflächen oder Übergänge von Medien mit unterschiedlicher optischer Brechzahl. Die Oberflächen müssen zur Vermessung weiterhin hinreichend glatt sein, d. h. die Rauhigkeit oder Körnigkeit der Oberfläche muß derart beschaffen sein, daß die Oberfläche bei Abtastung mit einem Lichtstrahl mit Durchmesser d innerhalb jeden Oberflächenteils mit Durchmesser d näherungsweise krümmungsfrei ist. DOLLAR A Mit dem beschriebenen Verfahren können alle erforderlichen Schritte der Datenaufnahme gleichzeitig durchgeführt werden, daher können genannte Oberflächen auch in dynamischen Prozessen beobachtet und bewertet werden. Dies ist wichtig, z. B. bei der Schwingungs- oder Verformungsanalyse von Oberflächen. DOLLAR A Das Meßobjekt, das eine oben definierte Oberfläche aufweist, wird im Weiteren reflektierendes Meßobjekt genannt. Die beschriebene Apparatur, im weiteren "Sensor" genannt, besteht mindestens ...

Description

Zusammenfassung:

Oben beschriebene Meßaufgaben werden gemäß dem Stand der Technik mit folgenden Verfahren gelöst:

1. mechanische (taktile) Abtastung,
2. projizierende Verfahren, jedoch ohne ausreichend tiefenscharfes Lichtmuster und ohne absolute Vermessung, z.B. Patent Nr. DE 19731545 C1
3. Wellenfront-Meßverfahren (z.B. Shack-Hartmann),
4. konfokale Oberflächenabtastung; z.B. Patent Nr. DE 19749974 C2
5. Interferometrische Verfahren,
6. Ray-tracing mit feinem, abtastendem Laserstrahl, z.B. in Appl. Opt. Vol. 27, p. 5160ff (1988) beschrieben

Nachteile bisheriger Verfahren (Numerierung nimmt Bezug auf Stand der Technik):

1. verschleißanfällig und langwierig; bewegliche Teile; Gefahr der Beschädigung des Prüflings;
2. ungenau, da die Lichtsausbreitung zwischen dem Meßmuster und der Prüflingsoberfläche unberücksichtigt bleibt;
3. nur für kleine Objekte geeignet (beschränkt von der Größe von z.B. Abbildungsoptiken und/oder Mikrolinsenarrays); weiterhin Einschränkung hinsichtlich meßbarer Höhendifferenz und meßbarem Stei gungswert der Oberfläche;
4. zeitaufwendig, da z.B. eine sequentielle Abtastung in z-Richtung erforderlich ist; bewegliche Teile;
5. hoher apparativer Aufwand; insbesondere für ausgedehnte Flächen. Phaseshift-Verfahren benötigen mindestens 3 Aufnahmen mit jeweils verschobener Referenzwelle. Wie für 4 ist das Verfahren nur für geringe maximale Höhendifferenzen einsetzbar; weiterhin sehr anfällig gegenüber Umgebungseinflüssen, wie z.B. Fremdlicht, Vibrationen);
6. Lediglich sequentielle Abtastung möglich (daher langsam); weiterhin sind laterale Position und Strahlwinkel aufgrund der Scan-Bewegung nicht hinreichend genau bekannt; beinhaltet bewegliche Teile; Für die Verfahren aus 2, 3 und 6 ist in der Regel außerdem eine Kalibrierung notwendig.

Ziele der Erfindung:

• berührungslose und simultane Erfassung der Oberflächentopologie voll- oder teilverspiegelter Oberflächen, insbesondere auch asphärischer Oberflächen bei hoher Meßauflösung ohne a priori Kenntnisse der Oberfläche;
• einfacher, kalibrierungsfreier Meßaufbau (Wegfall der Bestimmung der äußeren Orientierung des Beleuchtungs-, Objekt- und Sensorsystems);
• Wegfall beweglicher Bauteile.

Vorteile der Erfindung:

Mit dem erfindungsgemäßen Sensor kann eine spiegelnde Oberfläche, wie oben definiert, absolut und mit hoher Genauigkeit vermessen werden. A priori Wissen über die Geometrie der Oberfläche ist dabei nicht erforderlich.

Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung des Sensors steht eine praktisch unbegrenzte Schärfentiefe eines dreidimensionalen Lichtmusters zur Verfügung. Damit kann der Meßkörper ohne weitere Voreinstellung im Meßfeld platziert werden. Ebenso unkritisch ist dann die Lage der Aufnahmeeinheit (äußere Orientierung).

Bei Kenntnis des räumlichen Verlaufes des dreidimensionalen Lichtmusters, etwa durch Vorkalibrierung bei der Montage der Projektoreinheit (innere Orientierung) ist keine Kalibrierung z.B. der Orientierung der Koordinatensysteme von Beleuchtungs-, Objekt- und Aufnahmeeinheit (äußere Orientierung) mehr erforderlich.

Die Messung benötigt lediglich mindestens nur zwei Meßvorgänge an verschiedenen Raumpositionen zur absoluten und genauen Abtastung der 3D-Topologie des Prüflings.

Durch Ausspieglung des Meßlichtes an verschiedenen Positionen können diese Messungen simultan und ohne bewegliche Teile durchgeführt werden.

Beschreibung

Das spiegelnde Meßobjekt wird mit einem speziellen dreidimensionalen Lichtmuster beleuchtet, dessen Geometrie und Struktur in allen drei Raumdimensionen hinreichend bekannt ist. Das Lichtmuster ist dabei derart codiert, daß einzelne Bestandteile daraus nach der Wechselwirkung mit der Prüflingsoberfläche (z.B. Reflektion) eindeutig wiedererkennbar und damit dem Lichtmuster vor der Wechselwirkung eindeutig zugeordnet werden können. Der reflektierte Anteil des Lichts wird mit einem lichtempfindlichen optischen Flächendetektor aufgenommen. Der Detektor nimmt sowohl die laterale Position der reflektierten Lichtstrahlen, die Codierung als auch die Strahlrichtung des Lichtmusters nach der Reflektion an der Prüflingsoberfläche auf. Aus diesen Informationen können die topographischen Daten S(x_i, y_i, z_i0) des Ortes der Reflektion (Zeichnung 8) auf der Prüflingsoberfläche, sowie dessen lokale Neigung bestimmt werden. Mit Kenntnis der Sensorgeometrie (innere Orientierung) kann die Oberflächentopologie absolut mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.

Für die Codierung des Lichtmusters werden vorgeschlagen z.B. Farbe (Zeichnung 6a), Polarisation und Form der Elemente (Zeichnung 6b) des Lichtmusters oder eine Kombination daraus für eine simultane Aufnahme aller Meßdaten. Weiterhin können Teile des Lichtmusters zu ihrer gegenseitigen Unterscheidung durch konstruktive Maßnahmen zeitlich hintereinander ein- oder ausgeschaltet werden. In letztgenanntem Fall ergibt sich allerdings eine sequentielle Aufnahme der Meßdaten.

Beleuchtung

Das dreidimensionale Lichtmuster kann z.B. durch Verwendung einer ausreichend punktförmigen Lichtquelle (nicht zwingend kohärent) und mindestens einem Array von Mikrolinsen erzeugt werden. Entsprechend Zeichnung 1a, 2a, 3a bewirken die Mikrolinsen eine Kollimation des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtbündels, das in die Öffnung der jeweiligen Mikrolinse fällt. Auf diese Weise wird je nach Wahl der Linsenparameter ein Muster mit hoher Tiefenschärfe aus kollimierten Teilstrahlen erzeugt („Lichtnadeln"). Die räumliche Divergenz dieser Lichtnadeln ist durch die Anordnung der Mikrolinsen und der Lichtquelle vollständig festgelegt (Zeichnung 1b und c, 2b und c, 3b und c) und damit genau bekannt. Insbesondere kann ein paralleler räumlicher Verlauf von Lichtnadeln erzeugt werden (Zeichnung 2a, b, c und 3a, b, c).

Mit Hilfe der weiter oben genannten Maßnahmen zur Codierung werden die Lichtnadeln voneinander unterscheidbar gemacht.

Auswertung

Der zu vermessende Prüfling wird mit den oben beschriebenen Lichtnadeln beleuchtet. Die laterale Meßauflösung entspricht dabei dem Raster des Lichtmusters. Das reflektierte Lichtmuster wird auf einem diffus streuenden Schirm sichtbar gemacht und mit einem Objektiv auf einen optischen Flächendetektor abgebildet. Die Auswertung der Bilddaten erfolgt durch einen Rechner (Zeichnung 7).

Auf dem Schirm erzeugen die reflektierten Lichtnadeln Lichtpunkte. Z.B. durch Bestimmung des Schwerpunkts der Lichtpunkte kann der Schnittpunkt jeder Lichtnadel mit der Ebene des Schirms ermittelt werden. Die Strahlrichtungen der jeweiligen Lichtnadeln können durch eine zweite Messung erhalten werden, wobei die Sensoreinheit oder Beobachtungseinheit (Zeichnung 7) um einen bekannten Wert in z verschoben wird (Zeichnung 9). Durch hinreichende Verschiebung kann eine sehr hohe Winkelauflösung erzielt werden. Zur Vermeidung beweglicher Komponenten kann dieser Wegunterschied in z auch durch Ausspiegelung aus dem Strahlengang in verschieden lange Lichtpfade zur Beobachtungseinheit (Zeichnung 10) erfolgen.

Detaillierte Beschreibung eines erfindungsgemäßen Meßaufbaus und einer Meßdurchführung:
Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel nebst Varianten beschrieben.
1. Projektionseinheit:
Die Projektionseinheit besteht aus mindestens einer nahezu punktförmigen Lichtquelle. Die Punktförmigkeit ist dann ausreichend gegeben, falls die spatiale Ausdehnung der Lichtquelle kleiner ist als der Beugungsfleck des zur Projektion verwendeten optischen Systems. Die Lichtquelle muß nicht zwingend temporal kohärent sein. Sie kann z.B. als eine Laserdiode, eine LED oder aber auch eine ausreichend spatial kohärente thermische Lichtquelle ausgeführt sein, wie etwa eine Halogenlampe oder Weißlichtlampe.
Mit Hilfe mindestens eines Arrays lateral in einer Ebene angeordneter Mikrolinsen (Mikrolinsenarray) wird das Licht aus der Lichtquelle teilkollimiert. Jede einzelne Linse bewirkt dabei die Entstehung eines parallelen Teilstrahles (z.B. Zeichnung 1a), das sich in der Richtung des Hauptstrahles der jeweiligen Mikrolinse im Raum ausbreitet, der im folgenden Lichtnadel genannt wird. Entsprechend der Gesetze der optischen Beugung ändert sich der Strahldurchmesser der einzelnen Lichtnadeln nur wenig innerhalb eines großen z-Bereiches. Auf diese Weise kann ein Lichtmuster erzeugt werden, das über mehrere Zentimeter bis zu einigen Metern unverändert (tiefenscharf) ist.
Durch Verwendung von mindestens einer Makrolinse und einem Mikrolinsenarray (Zeichnung 2a), bzw. mindestens einer Makrolinse und zwei Mikrolinsenarrays (Zeichnung 3a) kann ein tiefenscharfes Lichtmuster erzeugt werden, das aus parallel im Raum verlaufenden Lichtnadeln besteht. Für ein derart verlaufendes Lichtmuster ist in jedem Abstand z_p zur Projektionseinheit sowohl die laterale Position x, y als auch der Ausbreitungswinkel jeder einzelnen Lichtnadel bekannt (Zeichnung 1b und c, 2b und c, 3b und c).
Die Varianten des Aufbaus, beschrieben in den Zeichnungen 1a, 2a, und 3a beinhalten keinerlei bewegliche Teile. Der Benutzer muß daher keinerlei Einstellarbeiten, z.B. Einstellen der Schärfe oder Kalibrierung an der Projektionseinheit vornehmen.
Alternative Erzeugung des tiefenausgedehnten Lichtmusters:
Neben den obengenannten Möglichkeiten der Realisierung eines tiefenscharfen Lichtmusters zur simultanen 3D Oberflächenvermessung reflektierender Oberflächen werden an dieser Stelle Alternativen zur Lichtmustererzeugung aufgezeigt. Dabei handelt es sich die Erzeugung eines tiefenscharfen Lichtmusters, das sich aus zeitlich hintereinander an- und ausgeschalteten Komponenten besteht:
Es wird vorgeschlagen, ein sequentielles tiefenausgedehntes Lichtmuster durch die Verwendung eines parallelen Laserlichtstrahles und einem kippbaren Spiegel zu erzeugen (Zeichnung 4). Im Gegensatz zu [Appl. Opt. Vol. 27, p. 5160ff (1988)] befindet sich entsprechend Zeichnung 5 der Drehpunkt des kippbaren Spiegels genau auf der optischen Achse einer in einfachem Brennweitenabstand f aufgestellten Makrolinse. Ist die Brennweite f_M der Makrolinse hinreichend groß, ist die durch die Makrolinse induzierte Divergenz des Laserstrahles hinreichend klein. Auf diese Weise kann ebenso wie in Zeichn. 2b und c sowie 3b und c ein, über einen weiten z-Bereich nahezu unveränderliches Lichtmuster gebildet werden, das aus parallelen Lichtnadeln besteht. Mit Ausnahme des Vorhandenseins beweglicher Bauteile bietet diese Konstruktionsalternative dieselben Vorteile hinsichtlich der Handhabung (Entfall jeglicher Einstellarbeiten und Kalibrierungen). Damit die laterale Position der Lichtstrahlen für die nachfolgende Auswertung hinreichend genau bekannt ist, muß diese durch Beobachtung (Monitoring) des Lichtmusters in Echtzeit z.B. durch Ausspiegeln auf eine zusätzliche Beobachtungskamera während der Meßdurchführung aufgezeichnet werden.
Alle vorgeschlagenen Methoden der Lichtmustererzeugung zeichnen sich darin aus, daß das Meßobjekt in jedem beliebigen z-Abstand zur Projektionseinheit aufgestellt werden, da alle geometrischen Eigenschaften des Lichtmusters bekannt sind. Dies stellt einen weiteren Vorteil in der Handhabung der hier beschriebenen Meßeinrichtung dar. Für eine sinngerechte Aufstellung muß lediglich sichergestellt werden, daß die gesamte Länge des aufgefalteten Strahlenganges bis zur Beobachtungseinheit innerhalb des Tiefenschärfenbereiches der Lichtnadeln liegt.
Implementierung der Codierung:
Die Zuordnung der Lichtpunkte zum ursprünglichen Lichtmuster kann geschehen z.B. durch farbliche Kodierung der Lichtnadeln (Zeichnung 6a) oder durch individuelle und unterscheidbare Ausformung der einzelnen Lichtnadeln (z.B. durch Aufprägen eines Astigmatismus mit unterscheidbarer Ausrichtung auf die einzelnen Mikrolinsen, Zeichnung 6b). Diese Arten der Codierung erlauben eine simultane Beleuchtung und Auswertung.
Es wird weiter vorgeschlagen, durch sequentielles An- und Ausschalten der einzelnen Lichtnadeln nach einer in Zeichnung 1a, 2a, 3a skizzierten Realisation z.B. durch ein LCD Array, das durch entsprechende Steuerung die Mikrolinsen einzeln transparent oder opak schaltet, eine Codierung zu erreichen.
Für die Lichtmustererzeugung nach Zeichnung 4 und 5 (Verwendung eines beweglichen Spiegels) ist keine weitere Codierung mehr notwendig, da bei dieser Methode alle Meßorte prinzipbedingt sequentiell und damit stets unterscheidbar abgefahren werden.
Für den weiteren Verlauf der Beschreibung gehen wir ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit von der Erzeugung von n × m parallel zur optischen Achse verlaufenden, kartesisch in n Spalten und m Zeilen angeordneten Lichtnadeln aus. Die Lichtnadeln können voneinander entsprechend ihrer Codierung einzeln voneinander unterschieden werden.
Die Größen für n und m liegen in der Praxis in der Größenordnung von hundert bis zu einigen tausend. Diese Anzahl ist fundamental nicht begrenzt. Für eine ausreichende Detektierbarkeit der Lichtnadeln darf ein bestimm tes Verhältnis η zwischen der Fläche des Abtastfeldes einer einzelnen Lichtnadel und der von ihr beleuchteten Fläche nicht überschritten werden. Als obere Grenze für simultane Meßdurchführung gilt η < 1, für sequentielle Messung gibt es keine obere Grenze, obgleich es sinnvoll ist, hinsichtlich der Meßgenauigkeit für beide Fälle, die jeweils beleuchtete Fläche so klein wie möglich zu halten.
2. Datenaufnahme- und Detektionseinheit, Beschreibung eines typischen Meßablaufs:
Das reflektierende Meßobjekt wird unter Berücksichtigung der Tiefenschärfe der Lichtnadeln in das unter 1. beschriebene Lichtmuster gestellt.
Das reflektierte Lichtmuster fällt auf einen, im Abstand z zur Meßoberfläche stehenden, diffus streuenden Schirm. Die Verteilung der Leuchtpunkte wird mittels eines Objektivs auf einen lichtempfindlichen Flächendetektor abgebildet und mit Hilfe eines Rechners ausgewertet (Zeichnung 7).
Für die nachfolgend beschriebene Messung der Oberflächendaten durch Auswertung der Lichtpunkte ist es sinnvoll, obgleich nicht zwingend notwendig und daher nicht einschränkend, daß die reflektierende Oberfläche so orientiert wird, daß der Hauptteil des reflektierten Lichtmusters in Richtung der optischen Achse zurückgeworfen wird. Weiterhin wird die Beobachtungseinheit, ohne Verletzung der Allgemeingültigkeit auf der optischen Achse des Gesamtsystems positioniert (Zeichnung 10). In diesem Fall wird das reflektierte Lichtmuster mit Hilfe eines Strahlteilers aus dem Strahlengang ausgespiegelt (Zeichnung 10).
Die Position der Schnittpunkte der Lichtnadeln S(x_i, y_i, z) mit dem Schirm sind bestimmt durch die jeweilige mittlere lokale Neigung des Reflektionsortes mit der Größe der Beleuchtungsfläche der Lichtnadel auf der spiegelnden Meßoberfläche und dem Abstand des Schirmes vom Reflektionsort S(x_i, y_i, z_i0) der jeweiligen Lichtnadel.
Aufgrund der unterschiedlichen lokalen Neigung der Meßoberfläche ist es typisch, daß die Anordnung der Lichtpunkte auf dem Schirm nicht mehr der ursprünglichen Anordnung von n × m kartesischen Lichtpunkten entspricht. Vielmehr hat sich typischerweise eine Durchmischung der Orte der Lichtpunkte ergeben, die Punkte werden im allgemeinen weiterhin auch nicht mehr in kartesischer Anordnung vorliegen. Weiterhin wird es typisch sein, daß durch Bereiche des Prüflings, die sehr starke Neigung aufweisen, einzelne Lichtnadeln den Schirm nicht mehr treffen werden. Daher wird die Anzahl der, auf dem Schirm detektierbaren Lichtpunkte i ≤ (n·m) sein.
Die eindeutige Bestimmung der Oberflächentopologie der Prüflingsoberfläche setzt sich dann aus den unter a) bis d) aufgeführten Schritten zusammen, wobei z.B. durch Ausspiegelungen an unterschiedlichen z-Positionen alle Vorgänge der Datenaufnahme simultan durchgeführt werden können.
Die Schritte der Auswertung können ebenfalls simultan, also direkt nachgeschaltet an die Datenaufnahme erfolgen. Es ist aber auch möglich (z.B. zur Erhöhung der Meßgeschwindigkeit), ohne Einschränkung der Gleichzeitigkeit aller physikalischer Meßschritte, die Daten zwischenzuspeichern und erst in einem nachgeschalteten Prozeßschritt auszuwerten.
Einzelne Meßschritte:
a. Bestimmung der Strahlrichtungen der Lichtnadeln nach der Reflektion am Prüfling
Zur Bestimmung der Strahlrichtung jeder reflektierten Lichtnadel werden die lateralen Positionen der Leuchtpunkte auf dem Schirm in mindestens zwei unterschiedlichen z-Abständen gemessen (Zeichnung 9). Die Positionen S(x_i, y_i, z₁) jedes Leuchtpunkts in der Schirmebene bei z₁= z und Die Positionen S(x_j y_j, z₂) bei z₂= z + Δz werden z.B. durch Schwerpunktsbestimmung der Intensitätsverteilung ermittelt. Praktischerweise wird man hier Δz groß wählen, damit die Winkel in hinreichender Genauigkeit ermittelt werden können. Entsprechend der Codierung können die i und j Lichtpunkte aus beiden Meßpositionen eindeutig zugeordnet werden.
Durch die Beziehung ϑ_i = atan(x_i2 – x_i1)/Δz und φ_i = atan(y_i2 – y_i1)/Δz können die Strahlrichtungen aller erkannter i Lichtnadeln, die auf dem Schirm bei beiden Meßschritten sichtbar sind, bestimmt werden (Zeichnung 9). U.U. kann es sinnvoll sein, die Strahlwinkel von Lichtnadeln, deren Schnittpunkte nur auf einer der vorgenannten Messungen gefunden wurden durch eine weitere Messung an einer anderen z-Position zu bestimmen.
b. Bestimmung der lokalen Neigung des reflektierenden Prüflings
Entsprechend der Gesetze der Reflektion wird aus den Winkeln der Lichtnadeln ϑ_i und φ_i der zugehörige lokale Normalenvektor n_i, und damit die mittlere Neigung des beleuchteten Flächenelementes n_x;i, und n_y;i, ermittelt.
c. Zuordnung der Lichtnadeln zur Orientierung des Beleuchtungsmusters
Aufgrund der Codierung können alle aufgefundenen Strahlen dem ursprünglichen Lichtmuster eindeutig zugeordnet werden. Die einzelnen Lichtnadeln werden in einem Rechenprogramm solange zur reflektierenden Prüflingsoberfläche verlängert, bis sich ein Schnittpunkt mit der jeweiligen ungestörten Lichtnadel ergibt. Dieser Punkt bezeichnet die Raumkoordinate der reflektierenden Oberfläche S(x_i, y_i, z_i0)_n,m. Die Neigungswinkel an diesem Raumpunkt sind durch die Meßschritte a und b bekannt.
d. Integration der lokalen Neigungen
Nachdem die Raumkoordinaten der reflektierenden Oberfläche S(x_i, y_i, z_i0)_n,m ermittelt wurden, kann die Oberfläche durch Aufintegration der durch Messung in b) bestimmten Neigungswinkel n_x;i, und n_y;i, mit hoher Genauigkeit berechnet werden.
Abbildungen:
1.a Erzeugung von Lichtnadeln, wobei die Strahlrichtungen der Lichtnadeln nicht parallel sind, bestehend aus einer punktförmigen Lichtquelle und einem Mikrolinsenarray
1.b Intensitätsverteilung in einer Ebene an der Position z = z₁
1.c Intensitätsverteilung in einer Ebene an der Position z = z₂, wobei für die Rastermaße gilt: px₁ < px₂ und py₁ < py₂; d₁ = d₂ (wobei d: Durchmesser der Lichtnadel an der jeweiligen z-Position)
2.a Erzeugung von parallelen Lichtnadeln durch Verwendung einer punktförmigen Lichtquelle, einem Mikrolinsenarray und einer Makrolinse
2.b Intensitätsverteilung in einer Ebene an der Position z = z₁
2.c Intensitätsverteilung in einer Ebene an der Position z = z₂; px₁ = px₂ und py₁ = py₂; d₁ = d₂
3.a Erzeugung von parallelen Lichtnadeln durch Verwendung einer punktförmigen Lichtquelle, zwei Mikrolinsenarrays und einer Makrolinse;
3.b Intensitätsverteilung in einer Ebene an der Position z = z₁
3.c Intensitätsverteilung in einer Ebene an der Position z = z₂; px₁ = px₂ und py₁ = py₂; d₁ = d₂
4. Erzeugung von Lichtnadeln, wobei die Strahlrichtungen der Lichtnadeln nicht parallel sind, bestehend aus einem feinen kollimierten Laserstrahl und einem beweglichen Kippspiegel
5. Erzeugung von Lichtnadeln, wobei die Strahlrichtungen der Lichtnadeln parallel sind, bestehend aus einem feinen kollimierten Laserstrahl und einem beweglichen Kippspiegel und einer Kollimationslinse.
6a. Querschnitt durch die Intensitätsverteilung von Lichtnadeln, die farblich codiert sind
6b. Querschnitt durch die Intensitätsverteilung von Lichtnadeln mit einem elliptischen Querschnitt mit unterschiedlicher Lage der Hauptachse
7. prinzipieller Aufbau der Beobachtungseinheit
8. Positionierung des Meßobjekts im Lichtmuster, Orientierung der Strahlwinkel
9. Prinzip der Winkelbestimmung
10. Positionierung der Beobachtungseinheit im Strahlengang zur Messung der Strahlwinkel an verschiedenen Positionen durch Stahlteilung des reflektierten Lichtmusters.
Erläuterungen zu den Zeichnungen:

1: punktförmige oder nahezu punktförmige Lichtquelle
2: Mikrolinsenarray mit Brennweite f
3: teilkollimiertes Lichtbündel mit divergentem Verlauf
4: parallel angeordnete Lichtnadeln
5: Makrolinse
6: optische Achse
7: Mikrolinsenarray mit Brennweite f'
8: reflektierendes Meßobjekt
9: Beobachtungseinheit
10: Abbildungsoptik
11: Schirm, diffus streuend
12: lichtempfindlicher Flächendetektor
13: reflektierte Lichtnadel
14: teildurchlässige Spiegel, Strahlteiler
15: Schnittpunkte zwischen reflektierter und ungestörter Lichtnadel
16: Kippspiegel
17: Laserstrahl

Literatur:

Breuckmann B.: "Bildverarbeitung und optische Meßtechnik in der industriellen Praxis" Franzis-Verlag ISBN 3-7723-4861-0
Daniel Malacara: "Optical Shop Testing", 2^nd Edition, John Wiley & Son, Inc.(1992)

Claims

Sensor für die absolute, kalibrierungsfreie 3D-Oberflächenvermessung von spiegelnden Oberflächen derart, daß er aus mindestens einer Beleuchtungseinheit und mindestens einer Beobachtungseinheit besteht.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 1 derart, daß diese ein tiefenscharfes, lateral strukturiertes Lichtmuster erzeugt.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 1 derart, daß diese ein tiefenscharfes, lateral strukturiertes Lichtmuster erzeugt, wobei die dreidimensionale Struktur des Musters über einen weiten Bereich seiner Propagation im Raum unverändert bleibt.
Beleuchtungseinheit aus den Ansprüchen 1, 2 und 3 derart, daß das Lichtmuster aus Anspruch 2 und 3 durch Verwendung von mindestens einer punktförmigen oder nahezu punktförmigen Lichtquelle und mindestens einem Mikrolinsenarray besteht.
Beleuchtungseinheit aus den Ansprüchen 1, 2 und 3 derart, daß das Lichtmuster aus Anspruch 2 und 3 durch Verwendung von mindestens einer punktförmigen oder nahezu punktförmigen Lichtquelle und mindestens einem Mikrolinsenarray und mindestens einer Makrolinse besteht.
Beleuchtungseinheit aus den Ansprüchen 1, 2 und 3 derart, daß das Lichtmuster aus Anspruch 2 und 3 durch Verwendung von mindestens einer punktförmigen oder nahezu punktförmigen Lichtquelle und mindestens zwei hintereinander angeordneten Mikrolinsenarrays und mindestens einer Makrolinse besteht.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 1 bis 6 derart, daß die Lichtquellen entweder als Laserdiode, Laser, LED oder als thermische, polychromatische Lichtquelle ausgeführt sind.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 1 bis 7 derart, daß die einzelnen Lichtnadeln durch die Ausformung ihres Querschnittes codiert sind.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 1 bis 8 derart, daß die Querschnitte einzelnen Lichtnadeln sich gegenseitig unterscheiden durch Durchmesser, Elliptizität, insbesondere durch Lage der Hauptachsen der Ellipsen.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 1 bis 9, daß die einzelnen Mikrolinsen der verwendeten Mikrolinsenarrays mit einem Astigmatismus versehen sind.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 10 derart, daß die laterale Struktur des tiefenscharfen Lichtmusters durch die Orientierung der astigmatischen Achsen der einzelnen Mikrolinsen der verwendeten Mikrolinsenarrays codiert sind.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 1 bis 7 derart, daß die laterale Struktur des tiefenscharfen Lichtmusters durch Farbkodierung der einzelnen lateralen Musterelemente geschieht.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 12 derart, daß die farbliche Codierung der Einzelelemente der lateralen Struktur des tiefenscharfen Lichtmusters durch ein ortsabhängiges Farbfilter geschieht, das in den Strahlengang der Beleuchtungseinheit eingebracht wird.
Beleuchtungseinheit aus 1 bis 7 derart, daß über ein schaltbares, absorbierendes Element Teile des tiefenscharfen, lateral strukturierten Lichtmusters an und ausgeschaltet werden können.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 14 derart, daß das schaltbare, absorbierende Element als LCD- oder TFT-Array ausgeführt ist.
Beleuchtungseinheit aus Ansprüchen 1, 2 und 3 derart, daß das tiefenscharfe Lichtmuster durch Verwendung von mindestens einer Lichtquelle, die mindestens einen feinen, kollimierten Lichtstrahl abgibt und mindestens einem beweglichen Kippspiegel erzeugt wird, der die Strahlrichtung des Lichtstrahls verändern kann.
Beleuchtungseinheit aus Ansprüchen 1, 2, 3 und 16 derart, daß die Lichtquelle ein kollimierter Laserstrahl ist.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 16 und 17 derart, daß durch mindestens eine Makrolinse die Strahlrichtung aus Anspruch 16 und 17 verändert wird.
Beleuchtungseinheit aus 18 derart, daß der Drehpunkt des beweglichen Kippspiegels auf der optischen Achse des Systems von mindestens einer Makrolinse aus Anspruch 18 positioniert ist, sodaß je nach Stellung des Kippspiegels sowie dem z-Abstand zwischen dem Drehpunkt und dem System aus Makrolinsen jeder Lichtstrahl Bestandteil eines, zur optischen Achse zylindersymmetrischen Strahlenbündels ist, das einen bestimmten punktsymmetrischen Divergenzverlauf aufweist.
Beleuchtungseinheit aus 19 derart, daß der Drehpunkt des beweglichen Kippspiegels im Brennpunkt des Systems von mindestens einer Makrolinse aus Anspruch 18 positioniert ist, sodaß je nach Stellung des Kippspiegels der Lichtstrahl stets parallel zur optischen Achse geführt wird.
Beleuchtungseinheit aus 14 bis 20 derart, der Divergenzwinkel aus Anspruch 19 sowie die laterale Position der Lichtnadel entsprechend der Stellung des Kippspiegels (Anspruch 16 bis 20) bzw. Position des transparent geschalteten schaltbaren Elementes aus Anspruch 14 und 15 aufgezeichnet wird.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 1 derart, daß diese aus mindestens einem diffus streuendem Schirm, mindestens einem lichtempfindlichen Flächendetektor und mindestens einer Abbildungsoptik besteht.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 1 derart, daß diese im Falle einer Farbcodierung nach Anspruch 12 und 13 aus mindestens einem diffus streuendem Schirm, mindestens einem farbsensitiven, lichtempfindlichen Flächendetektor und mindestens einer Abbildungsoptik besteht.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 22 und 23 derart, daß diese Einheit in die, am Meßobjekt reflektierten Strahlen gestellt wird, wodurch die reflektierten Lichtmuster aus Anspruch 2 bis 21 auf dem Schirm der Beobachtungseinheit Intensitätsverteilungen (Lichtpunkte) ergeben, die durch die Abbildungsoptik aus Anspruch 22 und 23 auf den lichtempfindlichen Flächendetektor aus Anspruch 22 und 23 abgebildet werden.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 22 bis 24 derart, daß die x-y-z-Positionen der Schnittpunkte der Lichtstrahlen mit dem Schirm bestimmt werden sowie die Codierung der Lichtnadeln nach Anspruch 8 bis 13 detektiert werden.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 22 bis 25 derart, daß diese Einheit an mindestens zwei unterschiedlichen z-Positionen die x-y-z-Koordinaten der Schnittpunkte sowie die Codierung der Lichtnadeln nach Anspruch 8 bis 13 aufnimmt.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 22 bis 26 derart, daß Messungen entsprechend Anspruch 25 und 26 durch Strahlteilung auf, um Δz verschieden lange Lichtpfade aufgeteilt werden, wo durch mindestens je eine Aufnahmeeinheit die Lichtpunkte aufgenommen werden und die x-y-z-Positionen der Schnittpunkte sowie die Codierung bestimmt werden.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 22 bis 27 derart, daß durch die mindestens zwei Messungen aus den Ansprüchen 25 bis 27 die Winkel der einzelnen Strahlen ermittelt werden.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 22 bis 28 derart, daß die Messungen der x-y-z-Koordinaten der Schnittpunkte sowie deren Codierung an Meßorten durchgeführt werden, die sich nur durch ihre Position entlang der optischen Achse voneinander unterscheiden.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 22 bis 29 derart, daß die Raumkoordinaten der Schnittpunkte der gefundenen Lichtnadeln mit Hilfe der ermittelten Strahlrichtungen (Anspruch 25 bis 29) mit den jeweiligen Lichtnadeln des ungestörten Lichtmusters bestimmt werden.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 22 bis 30 derart, daß aus den, entsprechend Anspruch 28 gemessenen Strahlrichtungen die lokalen Oberflächenneigungen errechnet werden.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 22 bis 31 derart, daß mit Hilfe der Zuordnung aus Anspruch 30 die lokalen Oberflächenneigungen aus Anspruch 31 den lokalen Positionen der reflektierenden Oberfläche zugeordnet werden.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 22 bis 32 derart, daß aus den, nach Anspruch 32 zugeordneten Oberflächenneigungen der Oberflächenverlauf selbst errechnet wird.