DE102005007244A1 - Absolute calibration free three dimensional mirror surface measurement sensor has lamp unit giving high depth of field laterally structured light pattern from microlens array - Google Patents
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Abstract
Description
Beschrieben wird im Folgenden ein Verfahren zur gleichzeitigen, kalibrierungsfreien, berührungslosen, absoluten und bildgebenden optischen Ermittlung der 3D-Koordinaten von zusammenhängenden reflektierenden Oberflächen, wobei zur optischen Abtastung ein tiefenscharfes Lichtmuster eingesetzt wird.described In the following, a method for simultaneous, calibration-free, non-contact, absolute and imaging optical determination of the 3D coordinates of related reflective surfaces, wherein a deep-sharp light pattern is used for optical scanning becomes.
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.The surfaces can either fully mirrored, such as vapor-deposited or polished surfaces, e.g. Mirrors, and sheet metal parts or even partially mirrored or partially be reflective, such as polished or sufficiently smooth surfaces more transparent Media such as glass surfaces, Liquid surfaces or transitions of Media with different optical refractive index. The surfaces must be for Surveying should continue to be sufficiently smooth, i. the roughness or graininess the surface must be like that be that the Surface at Scanning with a diameter d light beam within each surface part with diameter d approximately free of curvature is.
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.With the described method can all necessary steps of data acquisition are carried out simultaneously, therefore you can called surfaces also be observed and evaluated in dynamic processes. This is important, e.g. in the vibration or deformation analysis of surfaces.
Das Meßobjekt, das eine oben definierte Oberfläche aufweist, wird im Weiteren reflektierendes Meßobjekt genannt. Die beschriebene Apparatur, im weiteren „Sensor" genannt, besteht mindestens aus einer Abbildungslinse und einem optischen Flächendetektor (z.B. einer elektronischen Kamera mit CCD oder CMOS-Element, aber auch z.B. chemischem Film für eine nachgelagerte Auswertung) und mindestens einer Beleuchtungsapparatur, die ein dreidimensionales Lichtmuster erzeugt.The measured object, the one surface defined above has, hereinafter referred to as reflective measurement object. The described Apparatus, hereinafter referred to as "sensor" exists at least one imaging lens and an optical surface detector (e.g., an electronic camera with CCD or CMOS element, but also e.g. chemical film for a downstream evaluation) and at least one lighting device, which creates a three-dimensional light pattern.
Stand der Technikwas standing of the technique
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, 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
- 1. mechanical (tactile) scanning,
- 2. projecting methods, but without sufficient deep-sharp light pattern, eg patent no.
DE 19731545 C1 - 3. wavefront measuring method (eg Shack-Hartmann),
- 4. confocal surface scanning; eg patent no.
DE 19749974 C2 - 5. interferometric methods,
- 6. Ray-tracing with fine, scanning laser beam, eg in Appl.Opt. Vol. 27, p. 5160ff (1988)
Nachteile bisheriger Verfahren (Numerierung nimmt Bezug auf Stand der Technik):
- 1. verschleißanfällig und langwierig; bewegliche Teile; Gefahr der Beschädigung des Prüflings;
- 2. ungenau, da hier die Lichtausbreitung zwischen Meßmuster und Prüflingsoberfläche unberücksichtigt bleibt;
- 3. nur für kleine Objekte (beschränkt von der Größe von z.B. Abbildungsoptiken und/oder Mikrolinsenarrays); weiterhin Einschränkung hinsichtlich meßbarer Höhendifferenz und meßbarem Steigungswert 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.
- 1. wear-prone and tedious; movable parts; Risk of damage to the test object;
- 2. inaccurate, since here the light propagation between the measuring pattern and the specimen surface is disregarded;
- 3. only for small objects (limited to the size of eg imaging optics and / or microlens arrays); furthermore limitation with regard to measurable height difference and measurable slope value of the surface;
- 4. time-consuming, since, for example, a sequential scan in the z-direction is required; movable parts;
- 5. high equipment costs; especially for large areas. Phaseshift methods require at least 3 shots, each with a shifted reference wave. As for Figure 4, the method is applicable only to small maximum height differences; still very vulnerable to environmental influences, such as extraneous light, vibrations);
- 6. Only sequential sampling possible (hence slow); Furthermore, lateral position and beam angle due to the scan movement are not known with sufficient accuracy; includes moving parts; For the methods of FIGS. 2, 3 and 6, a calibration is also usually necessary.
Ziele der ErfindungObjectives of the invention
- • berührungslose und simultane Erfassung der Oberflächentopologie voll- oder teilverspiegelter Oberflächen, insbesondere auch asphärischer Oberflächen bei hoher Meßauflösung ohne a priori Kenntnisse der Oberfläche;• non-contact and simultaneous detection of the surface topology of fully or partially mirrored surfaces, in particular also aspheric surfaces high measurement resolution without a priori knowledge of the surface;
- • einfacher, kalibrierungsfreier Meßaufbau (Wegfall der Bestimmung der äußeren Orientierung des Beleuchtungs-, Objekt- und Sensorsystems);• easier, calibration-free measuring setup (Elimination of the determination of the outer orientation the lighting, object and sensor system);
- • Wegfall beweglicher Bauteile.• omission movable components.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
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.With the sensor according to the invention can be a reflective surface, as defined above, measured absolutely and with high accuracy become. A priori knowledge about the geometry of the surface is not required.
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).By using the lighting device according to the invention of the sensor is a virtually unlimited depth of field of dreidi dimensional light pattern available. Thus, the measuring body can be placed in the measuring field without further presetting. Equally uncritical is the location of the recording unit (outer orientation).
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.at Knowledge of the spatial Course of the three-dimensional light pattern, such as by pre-calibration when mounting the projector unit (inner orientation) is no Calibration e.g. the orientation of the coordinate systems of lighting, object and receiving unit (outer orientation) more required.
Die Messung benötigt lediglich mindestens zwei, in der Regel drei Meßvorgänge an verschiedenen Raumpositionen zur absoluten und genauen Abtastung der 3D-Topologie des Prüflings.The Measurement needed only at least two, usually three measuring operations at different spatial positions for the absolute and accurate scanning of the 3D topology of the specimen.
Durch Ausspieglung des Meßlichtes an verschiedenen Positionen können diese Messungen simultan und ohne bewegliche Teile durchgeführt werden.By Ausspieglung the measuring light in different positions these measurements are carried out simultaneously and without moving parts.
Das spiegelnde Meßobjekt wird mit einem speziellen dreidimensionalen Lichtmuster beleuchtet, dessen Geometrie und Struktur in allen drei Raumdimensionen hinreichend bekannt ist. Der reflektierte Anteil des Lichts wird mit einem lichtempfindlichen optischen Flächendetektor aufgenommen. Der Detektor nimmt sowohl die laterale Position der reflektierten Lichtstrahlen als auch die Strahlrichtung des Lichtmusters nach der Reflektion an der Prüflingsoberfläche auf. Aus beiden Informationen können die topographischen Daten S(xi, yi, zi0) des Ortes der Reflektion auf der Prüflingsoberfläche (siehe Zeichnung 5), sowie dessen lokale Neigung bestimmt werden. Mit Kenntnis der Sensorgeometrie (innere Orientierung) kann die Oberflächentopologie absolut, mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.The specular object is illuminated with a special three-dimensional pattern of light whose geometry and structure are well known in all three space dimensions. The reflected portion of the light is picked up by a photosensitive optical surface detector. The detector records both the lateral position of the reflected light beams and the beam direction of the light pattern after reflection on the specimen surface. From both information, the topographical data S (x i , y i , z i0 ) of the location of the reflection on the specimen surface (see Figure 5) and its local inclination can be determined. With knowledge of the sensor geometry (inner orientation), the surface topology can be determined absolutely, with high accuracy.
Beleuchtunglighting
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).The Three-dimensional light patterns can e.g. by using a sufficient punctiform light source (not necessarily coherent) and at least one array of microlenses. Corresponding Drawing 1a, 2a, 3a, the microlenses cause a collimation of from the light source outgoing light beam, which in the opening of the respective microlens falls. In this way, depending on the choice of lens parameters, a pattern with high depth of field generated from collimated partial beams ("light needles") Divergence of these light needles is due to the arrangement of the microlenses and the light source completely set (Figure 1b and c, 2b and c, 3b and c) and thus exactly known. In particular, a parallel spatial course of light needles be generated (drawing 2a, b, c and 3a, b, c).
Auswertungevaluation
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 4).Of the to be measured specimen is illuminated with the light needles described above. The lateral Measuring resolution corresponds doing the grid of the light pattern. The reflected light pattern is visualized on a diffusely diffusing screen and with a lens imaged on an optical surface detector. The Evaluation of the image data is done by a computer (drawing 4).
Auf dem Schirm erzeugen die reflektierten Lichtnadeln Lichtpunkte. Z.B. durch Bestimmung des Schwerpunkts der Lichtpunkte kann der Schnittpunkt S(xi, yi, z) jeder Lichtnadel mit der z-Ebene des Schirms ermittelt werden. Die Strahlrichtungen der jeweiligen Lichtnadeln können durch eine zweite Messung ermittelt werden, wobei die Sensoreinheit oder Beobachtungseinheit (Zeichnung 4) um einen bekannten Wert in z verschoben wird (Zeichnung 6 und 7). 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 erfolgen (Zeichnung 7).On the screen, the reflected light needles produce points of light. For example, by determining the centroid of the light spots, the intersection S (x i , y i , z) of each light needle can be determined with the z plane of the screen. The beam directions of the respective light needles can be determined by a second measurement, wherein the sensor unit or observation unit (drawing 4) is shifted by a known value in z (Figures 6 and 7). By sufficient displacement, a very high angular resolution can be achieved. In order to avoid moving components, this path difference in z can also be achieved by reflecting out of the beam path in light paths of different lengths to the observation unit (drawing 7).
Detaillierte Beschreibung eines typischen Meßaufbaus und der Durchführung einer Messung:Detailed description a typical measurement setup and the implementation a measurement:
Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel nebst Varianten beschrieben.in the The following is an embodiment of the invention with variants described.
1. Projektionseinheit:1st projection unit:
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.The Projection unit consists of at least one almost punctiform light source. The punctiformity is then given sufficiently, if the spatial extent of the Light source is smaller than the diffraction spot of the projection used optical system. The light source does not have to be mandatory temporally coherent be. It can e.g. as a laser diode, an LED or too a sufficiently spatial coherent executed thermal light source be such as a halogen lamp.
Mit Hilfe mindestens eines Anays lateral in einer Ebene angeordneter Mikrolinsen (Mikrolinsenarray) wird das Licht aus der Lichtquelle teilkollimiert. Jede einzelne Linse bewirkt dabei die Entstehung eines parallelen Teilstrahles (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 Meter unverändert (tiefenscharf) ist.The light from the light source is partially collimated using microlenses (microlens array) arranged laterally in a plane with the aid of at least one anay. Each individual lens causes the formation of a parallel sub-beam (drawing 1a), which propagates in the direction of the main beam of the respective microlens in space, which is called in the following light needle. According to the laws of optical diffraction, the beam diameter of the individual light needles changes only slightly within a large z-range. In this way, a light pattern can be generated, the over meh centimeter up to a few meters unchanged (depth sharp) is.
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 zp 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).By using at least one macrolens and a microlens array (FIG. 2a), or at least one macrolens and two microlens arrays (FIG. 3a), a deep-focused light pattern can be generated which consists of light needles running parallel in space. For such a light pattern running in each distance z p to the projection unit both the lateral position x, y and the propagation angle of each individual light needle is known (drawing 1b and c, 2b and c, 3b and 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.The Variants of the structure described in the drawings 1a, 2a, and 3a do not include any moving parts. The user must therefore no adjustments, e.g. Adjusting the sharpness or Calibration on the projection unit.
Weiterhin kann ein 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. Es muß lediglich sichergestellt werden, daß die gesamte Länge des aufgefalteten Strahlenganges bis zur Beobachtungseinheit innerhalb des Tiefenschärfenbereiches der Lichtnadeln liegt.Farther can be a DUT be placed at any z-distance to the projection unit, since all geometric properties of the light pattern are known. This provides a further advantage in the handling of the measuring device described here It only has to to be sure that the whole length of the unfolded beam path to the observation unit within of the depth of field range the light needles lies.
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 außer durch ihre laterale Lage nicht voneinander unterschieden werden.For the rest Course of the description we go without limitation of generality from the generation of n × m parallel to the optical axis running, Cartesian in n columns and m lines arranged light needles. The light needles can be from each other except can not be distinguished from each other by their lateral position.
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 bestimmtes Verhältnis n zwischen der Fläche des Abtastfeldes einer einzelnen Lichtnadel und der von ihr beleuchteten Fläche nicht überschritten werden. Als obere Grenze gilt η < 1.The Sizes for n and m are in practice in the order of magnitude from a hundred to a few thousand. This number is fundamental not limited. For A sufficient detectability of the light needles may be a certain relationship n between the surface the scanning field of a single light needle and illuminated by her area not exceeded become. The upper limit is η <1.
2. Datenaufnahme- und Detektionseinheit:2. Data Acquisition and Detection Unit:
Das reflektierende Meßobjekt wird unter Berücksichtigung der Tiefenschärfe der Lichtnadeln in das unter 1. beschriebene Lichtmuster gestellt.The reflective measuring object is under consideration the depth of field of the light needles placed in the light pattern described in 1..
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 4).The reflected light pattern drops to one, at a distance z to the measuring surface, diffusely diffusing screen. The distribution of the luminous points is by means of a lens is imaged on a photosensitive area detector and evaluated with the help of a computer (drawing 4).
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 7). In diesem Fall wird das reflektierte Lichtmuster mit Hilfe eines Strahlteilers aus dem Strahlengang ausgespiegelt (Zeichnung 7).For the following described measurement of the surface data by evaluating the points of light it makes sense, though not imperative and therefore not limiting, that the reflective surface so oriented that will be the main part of the reflected light pattern reflected in the direction of the optical axis becomes. Furthermore, the observation unit, without violation of generality positioned on the optical axis of the overall system (drawing 7). In this case, the reflected light pattern with the help of a beam splitter reflected from the beam path (drawing 7).
Die Position der Schnittpunkte der Lichtnadeln S(xi, yi, 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(xi, yi, zi0) der jeweiligen Lichtnadel.The position of the points of intersection of the light needles S (x i , y i , z) with the screen are determined by the respective mean local inclination of the reflection location with the size of the illuminating surface of the light needle on the specular surface and the distance of the screen from the reflection S (x i , y i , z i0 ) of the respective light needle.
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 detektierten Lichtpunkte i ≤ (n·m) sein.by virtue of the different local inclination of the measuring surface, it is typical that the arrangement the points of light on the screen no longer the original ones Arrangement of n × m corresponds to Cartesian points of light. Rather, it typically has a blending of the locations of the points of light yield the points In general, they will no longer be in Cartesian Arrangement available. Furthermore, it will be typical that by areas of the test object, have very strong inclination, individual light needles the screen will not meet again. Therefore, the number of, on the screen detected light points i ≤ (n · m).
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.The clear determination of the surface topology the sample surface sets then from the steps listed under a) to d) together, where e.g. through reflections at different z-positions all operations the data recording can be performed simultaneously.
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 in einem Rechner auszuwerten:The Steps of evaluation can also simultaneously, ie directly downstream of the data acquisition respectively. It is also possible (for example, to increase the measuring speed), without restriction the simultaneity of all physical measuring steps to buffer the data and only in a subsequent process step in a computer to evaluate:
Einzelne Meßschritte:Individual measuring steps:
a. Bestimmung der Strahlrichtungen der Lichtnadeln nach der Reflektion am Prüflinga. Determination of the beam directions of the light needles after reflection on the specimen
Zur Bestimmung der Strahlrichtung jeder reflektierten Lichtnadel werden die lateralen Positionen der Leuchtpunkte auf dem Schirm in mindestens zwei unterschiedlichen z-Abständen gemessen (Zeichnung 6). Die Positionen S(xi, yi, z1) jedes Leuchtpunkts in der Schirmebene bei z1 = z und Die Positionen S(xi, yi, z2) bei z2 = z + Δz werden z.B. durch Schwerpunktsbestimmung der Intensitätsverteilung ermittelt. Praktischerweise wird man hier Δz klein wählen, damit die i und j erkannten Punkte der beiden Messungen eindeutig der selben Lichtnadel zugeordnet werden können und sich keine weiteren Durchmischungen aufgrund unterschiedlicher Strahlrichtungen mehr ergeben.To determine the beam direction of each re The lateral positions of the light spots on the screen are measured in at least two different z-distances (Figure 6). The positions S (x i , y i , z 1 ) of each luminance point in the screen plane at z 1 = z and the positions S (x i , y i , z 2 ) at z 2 = z + Δz are eg by determining the center of gravity of the intensity distribution determined. Conveniently, Δz will be chosen to be small so that the points of the two measurements identified i and j can be clearly assigned to the same light needle and no further mixing due to different beam directions can result.
Durch die Beziehung ϑi = atan(xi2 – xi1)/Δz und φ; = atan(yi2 – yi1)/Δz können die Strahlrichtungen aller i Lichtnadeln, die auf dem Schirm sichtbar sind, bestimmt werden (Zeichnung 5 und 6).By the relationship θ i = atan (x i2 -x i1 ) / Δz and φ; = atan (y i2 -y i1 ) / Δz, the beam directions of all the i needles visible on the screen can be determined (Figures 5 and 6).
b. Bestimmung der lokalen Neigung des reflektierenden Prüflingsb. Determination of local Inclination of the reflective specimen
Entsprechend der Gesetze der Reflektion wird aus den Winkeln der Lichtnadeln ϑi, und φi der zugehörige lokale Normalenvektor ni, und damit die mittlere Neigung des beleuchteten Flächenelementes nx;i, und ny;i, sehr genau ermittelt. Um hohe Genauigkeit zu erzielen, ist mindestens eine Messung der Positionen S(xi, yi, z3) der Lichtpunktschwerpunkte erforderlich, bei der praktischerweise ein möglichst großer Wert für Δz' für die Verschiebung gewählt wird (Zeichnung 6). Entsprechend der, unter a.) gemessenen ungefähren Strahlrichtungen können die Lichtpunkte, die bei z3 = z + Δz' gefunden werden, denjenigen aus der Meßebene bei z1 oder z2 zugeordnet werden. Entsprechend der Beziehungen ϑi = arctan Δx'/Δz' und φi = arctan Δx'/Δz' können daraus die Strahlrichtungen in verbesserter Genauigkeit bestimmt werden, wobei Δx' = x3 – x1 und Δz' = z3 – z1 oder Δx' = x3 – x2 und Δz' = z3 – z2, je nachdem ob auf die Meßwerte aus Ebene z1 oder z2 Bezug genommen wird.According to the laws of reflection, from the angles of the light needles θ i , and φ i, the associated local normal vector n i , and thus the average slope of the illuminated area element n x; i, and n y; i, are determined very accurately. In order to achieve high accuracy, at least one measurement of the positions S (x i , y i , z 3 ) of the points of light center is required, in which the greatest possible value for Δz 'is chosen for the displacement (Figure 6). According to the approximate beam directions measured under a.), The light spots found at z 3 = z + Δz 'can be assigned to those from the measurement plane at z 1 or z 2 . Corresponding to the relationships θ i = arctan Δx '/ Δz' and φ i = arctan Δx '/ Δz', the beam directions can be determined therefrom with improved accuracy, where Δx '= x 3 -x 1 and Δz' = z 3 -z 1 or Δx '= x 3 -x 2 and Δz' = z 3 -z 2 , depending on whether the measured values from plane z 1 or z 2 are referred to.
c. Zuordnung der Lichtnadeln zur Orientierung des Beleuchtungsmustersc. Assignment of the light needles for orientation of the illumination pattern
Durch Kenntnis der Schnittpunkte sowie der Strahlrichtung der reflektierten Lichtnadeln können im Rechner die Lichtnadeln auf die Positionen S(xi, yi, zi0)n,m zurückverfolgt werden, also diejenige Raumposition, unmittelbar am Reflektionsort auf reflektierenden Oberfläche des Prüflings. Diese Position findet man, wenn sich wiederum die ursprüngliche Anordnung der Lichtnadeln, entsprechend des unreflektierten, bekannten Musters ergibt.By knowing the points of intersection as well as the beam direction of the reflected light needles, the light needles can be traced back to the positions S (x i , y i , z i0 ) n, m in the computer, ie the spatial position immediately at the reflection location on the reflecting surface of the test object. This position can be found when in turn results in the original arrangement of the light needles, corresponding to the unreflected, known pattern.
Diese Findung geschieht iterativ in einem Rechnerprogramm, indem mögliche Schnittpunkte der Lichtnadel mit dem ungestörten Verlauf bestimmt werden und dabei die maximal mögliche Neigung zwischen benachbarten Flächenelementen auf der reflektierenden Prüflingsoberfläche berücksichtigt werden (Zeichnung 8).These Finding happens iteratively in a computer program, by possible intersections of the Light needle with the undisturbed Be determined course and doing the maximum possible tilt between adjacent surface elements be taken into account on the reflective specimen surface (Drawing 8).
d. Integration der lokalen Neigungend. Integration of the local inclinations
Nachdem die Raumkoordinaten der reflektierenden Oberfläche S(xi, yi, zi0)n,m ermittelt wurden, kann die Oberfläche durch Aufintegration der durch Messung in b) sehr genau bestimmten Neigungswinkel nx;i, und ny;i, mit hoher Genauigkeit berechnet werden.After the spatial coordinates of the reflecting surface S (x i , y i , z i0 ) n, m have been determined, the surface can be obtained by integrating the inclination angles n x; i, and n y; i, which are determined very precisely by measurement in b) high accuracy can be calculated.
Abbildungen:pictures:
- 1.a Erzeugung von Lichtnadeln, wobei die Strahlrichtungen der Lichtnadeln nicht parallel sind, bestehend aus einer punktförmigen Lichtquelle und einem Mikrolinsenarray1.a generation of light needles, wherein the beam directions the light needles are not parallel, consisting of a point light source and a microlens array
- 1.b Intensitätsverteilung in einer Ebene an der Position z = z1 1.b intensity distribution in a plane at the position z = z 1
- 1.c Intensitätsverteilung in einer Ebene an der Position z = z2, wobei für die Rastermaße gilt: px1 < px2 und pyl < py2; d1= d2 (mit d: Durchmesser der Lichtnadeln in unterschiedlicher z-Position)1.c intensity distribution in a plane at the position z = z 2 , where for the grid dimensions: px 1 <px 2 and py l <py 2 ; d 1 = d 2 (with d: diameter of the light needles in different z position)
- 2.a Erzeugung von parallelen Lichtnadeln durch Verwendung einer punktförmigen Lichtquelle, einem Mikrolinsenarray und einer Makrolinse2.a Generation of parallel light needles by using a punctate Light source, a microlens array and a macrolens
- 2.b Intensitätsverteilung in einer Ebene an der Position z = z1 2.b intensity distribution in a plane at the position z = z 1
- 2.c Intensitätsverteilung in einer Ebene an der Position z = z2; px1 = px2 und py1 = py2; d1 = d2 2.c intensity distribution in a plane at the position z = z 2 ; px 1 = px 2 and py 1 = py 2 ; d 1 = d 2
- 3.a Erzeugung von parallelen Lichtnadeln durch Verwendung einer punktförmigen Lichtquelle, zwei Mikrolinsenarrays und einer Makrolinse3.a generation of parallel light needles by using a punctate Light source, two microlens arrays and a macro lens
- 3.b Intensitätsverteilung in einer Ebene an der Position z = z1 3.b intensity distribution in a plane at the position z = z 1
- 3.c Intensitätsverteilung in einer Ebene an der Position z = z2; px1 = px2 und py1 = py2; d1 = d2 3.c intensity distribution in a plane at the position z = z 2 ; px 1 = px 2 and py 1 = py 2 ; d 1 = d 2
- 4. prinzipieller Aufbau der Beobachtungseinheit4. basic structure of the observation unit
- 5. Positionierung des Meßobjekts im Lichtmuster, Orientierung der Strahlwinkel5. Positioning of the DUT in the light pattern, orientation of the beam angle
- 6. Prinzip der Winkelbestimmung6. Principle of angle determination
- 7. Positionierung der Beobachtungseinheit im Strahlengang zur Messung der Strahlwinkel an verschiedenen Positionen durch Stahlteilung des reflektierten Lichtmusters.7. Positioning of the observation unit in the beam path to Measurement of the beam angles at different positions by steel division of the reflected light pattern.
- 8. Virtuelle Zurückführung der Lichtnadeln auf die Oberfläche des reflektierenden Prüfkörpers durch Berücksichtigung möglicher Neigungen und Schnittpunkten mit dem ursprünglichen Lichtmuster.8. Virtual repatriation of the Lightpins on the surface of the reflective specimen by consideration potential Tilts and intersections with the original light pattern.
Literatur:Literature:
- Breuckmann B.: "Bildverarbeitung und optische Meßtechnik in der industriellen Praxis" Franzis-Verlag ISBN 3-7723-4861-0Breuckmann B .: "Image processing and optical metrology in industrial practice "Franzis-Verlag ISBN 3-7723-4861-0
- Daniel Malacara: "Optical Shop Testing", 2nd Edition, John Wiley & Son, Inc.(1992)Daniel Malacara, "Optical Shop Testing", 2nd Edition, John Wiley & Son, Inc. (1992)
- 11
- punktförmige oder nahezu punktförmige Lichtquellepunctiform or almost punctiform light source
- 22
- Mikrolinsenarray mit Brennweite fMicrolens array with focal length f
- 33
- teilkollimiertes Lichtbündel mit divergentem Verlaufteilkollimiertes light beam with divergent course
- 44
- parallelangeordnete Lichtnadelnarranged in parallel light needles
- 55
- Makrolinsemacro lens
- 66
- optische Achseoptical axis
- 77
- Mikrolinsenarray mit Brennweite fMicrolens array with focal length f
- 88th
- reflektierendes Meßobjektreflective measurement object
- 99
- Beobachtungseinheitobservation unit
- 1010
- Abbildungsoptikimaging optics
- 1111
- Schirm, diffus streuendUmbrella, diffusely scattering
- 1212
- lichtempfindlicher Flächendetektorlight sensitive area detector
- 1313
- reflektierte Lichtnadelreflected light Adel
- 1414
- teildurchlässige Spiegel, Strahlteilersemitransparent mirrors, beamsplitter
- 1515
- Schnittpunkte zwischen reflektierter und ungestörter Lichtnadelintersections between reflected and undisturbed light needle
- 1616
- rekonstruierte Reflektionsortereconstructed reflection places
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102010019668A1 (en) * | 2010-05-07 | 2011-11-10 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method for determining the topography of a surface of an object |
WO2014032856A1 (en) * | 2012-08-30 | 2014-03-06 | Robert Bosch Gmbh | Vehicle measurement device |
DE102013219440A1 (en) * | 2013-09-26 | 2015-03-26 | Hochschule Bremen | Method and device for the optical analysis of a test object |
DE102013018569A1 (en) | 2013-10-30 | 2015-04-30 | Technische Universität Ilmenau | Apparatus and method for measuring at least partially reflective surfaces |
EP2950271A3 (en) * | 2014-05-30 | 2015-12-16 | Alpineon d.o.o. | Method and device for depth imaging |
DE102017001524B4 (en) | 2017-02-10 | 2018-12-20 | Technische Universität Ilmenau | Arrangement for measuring at least partially reflective surfaces |
-
2005
- 2005-02-17 DE DE200510007244 patent/DE102005007244A1/en not_active Ceased
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102010019668A1 (en) * | 2010-05-07 | 2011-11-10 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method for determining the topography of a surface of an object |
DE102010019668B4 (en) | 2010-05-07 | 2018-05-09 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method for determining the topography of a surface of an object |
WO2014032856A1 (en) * | 2012-08-30 | 2014-03-06 | Robert Bosch Gmbh | Vehicle measurement device |
DE102013219440A1 (en) * | 2013-09-26 | 2015-03-26 | Hochschule Bremen | Method and device for the optical analysis of a test object |
DE102013018569A1 (en) | 2013-10-30 | 2015-04-30 | Technische Universität Ilmenau | Apparatus and method for measuring at least partially reflective surfaces |
DE102013018569B4 (en) * | 2013-10-30 | 2015-07-16 | Technische Universität Ilmenau | Apparatus and method for measuring at least partially reflective surfaces |
EP2950271A3 (en) * | 2014-05-30 | 2015-12-16 | Alpineon d.o.o. | Method and device for depth imaging |
DE102017001524B4 (en) | 2017-02-10 | 2018-12-20 | Technische Universität Ilmenau | Arrangement for measuring at least partially reflective surfaces |
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