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Die
Erfindung betrifft ein System zur dreidimensionalen Bestimmung der
Oberfläche
eines Objekts.
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Aus
der
DE 102 57 423
A1 ist ein Mikroskop bekannt, bei dem eine Schicht des
Objekts mittels eines dünnen
Lichtstreifens beleuchtet wird und die Beobachtung senkrecht zur
Ebene des Lichtstreifens erfolgt. Für die Bildaufnahme wird das
Objekt durch den bezüglich
des Detektors feststehenden Lichtstreifens bewegt und Fluoreszenz
und/oder Streulicht wird mit einem flächigen Detektor aufgenommen.
Es ist möglich,
das Objekt zu drehen, um Aufnahmen aus mehreren Raumrichtungen zu
machen, die nachträglich
zu einer Aufnahme kombiniert werden können.
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Nachteilig
bei dem bekannten Mikroskop ist, daß ein erhöhter Optikaufwand notwendig
ist, da einerseits die Beleuchtung eine eigene Optik benötigt und
andererseits die Detektion ebenfalls eine eigene Optik benötigt. Des
weiteren ist dieses Mikroskop nur für optisch transparente Objekte
geeignet.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein System und ein Verfahren
zur dreidimensionalen Bestimmung der Oberfläche eines Objekts bereitzustellen,
mit denen die Oberfläche
reflektierender Objekte, deren Oberfläche lokale steile Flankenwinkel
aufweist, optisch abgebildet werden kann.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein System zur dreidimensionalen Bestimmung der Oberfläche eines
Objekts mit einem einen Objekthalter zum Drehen des Objekts sowie
ein Objektiv aufweisenden Auflicht-Mikroskop zur Aufnahme der Objektoberfläche in Reflexion,
einem Bildmodul und einem Steuermodul, das das Mikroskop und das
Bildmodul so steuert, daß mittels
des Mikroskops zumindest ein Abschnitt der Oberfläche des
Objekts aus zumindest zwei verschiedenen Raumrichtungen bezogen
auf den Abschnitt jeweils für
mehrere Objektivschnittweiten konfokal in Reflexion detektiert wird
und die dabei ermittelten Daten dem Bildmodul zugeführt werden, das
aus den Daten für
jede Raumrichtung einen dreidimensionalen Bilddatensatz des Oberflächenabschnitts
erzeugt und die erzeugten dreidimensionalen Bilddatensätze zu einem
dreidimensionalen Gesamtbild des Oberflächenabschnitts kombiniert.
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Durch
die Verwendung eines Auflicht-Mikroskops wird der Vorteil erreicht,
daß der
Optikaufwand verringert werden kann, da für die Beleuchtung und die Detektion
im wesentlichen die gleiche Optik, insbesondere dasselbe Objektiv
verwendet werden kann. Des weiteren ist es aufgrund der Auflicht-Beleuchtung
möglich,
reflektierende Oberflächen
zu detektieren. Aufgrund der konfokalen Detektion des Oberflächenabschnitts
aus unterschiedlichen Raumrichtungen wird ferner der Vorteil erreicht,
daß auch lokale
steile Flanken im Oberflächenprofil
optisch detektiert und somit im Gesamtbild dargestellt werden können. Insbesondere
können
rotationssymmetrische opake Objekte (z. B. Kugel, Zylinder, ...)
optisch detektiert werden.
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Das
System kann zur Darstellung des Gesamtbildes noch eine geeignete
Ausgabeeinheit, wie z.B. einen Monitor aufweisen.
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Das
Steuermodul kann das Mikroskop und das Bildmodul so steuern, daß bei der
Detektion des Abschnitts bei jeder Raumrichtung ein den Abschnitt beinhaltender,
größerer Bereich
detektiert wird und das Bildmodul aus den Daten für jeden
Bereich einen dreidimensionalen Bilddatensatz des Oberflächenbereichs
erzeugt und die erzeugten dreidimensionalen Bilddatensätze anhand
des in den erzeugten Bilddatensätzen
enthaltenen selben Abschnitts kombiniert. Damit wird der Vorteil
erreicht, daß größere Bereiche anhand
des in den Bereichen enthaltenen selben Abschnitts bei der Bilddatenbearbeitung
pixelgenau miteinander zum Gesamtbild kombiniert werden können. Dabei
kann insbesondere eine Mustererkennung verwendet werden, um die
dreidimensionalen Bilddatensätze
in korrekter Ausrichtung zueinander kombinieren zu können.
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Insbesondere
kann das Bildmodul bei der Erzeugung der Bilddatensätze und/oder
der Kombination zum Gesamtbild eine durch den Objekthalter bedingte
Abweichung der tatsächlichen
Ausrichtung des Objekts bei der Detektion von der vorgegebenen Ausrichtung
des Objekts korrigieren bzw. kompensieren. Die fehlerhafte Ausrichtung
kann anhand der Bilddatensätze
selbst oder anhand einer Messung der Ausrichtung des Objekthalters
während
der Aufnahme ermittelt werden. Dies führt zu einem qualitativ sehr
guten Gesamtbild.
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Der
Objekthalter kann so ausgebildet sein, daß er das Objekt um zwei voneinander
unabhängige Achsen
drehen kann. Damit kann eine ausgezeichnete dreidimensionale Abbildung
erreicht werden. Insbesondere können
beispielsweise Sensoren, Aktuatoren, Mikro-Werkzeuge oder Elemente aus der Medizintechnik,
wie z.B. ein Stent, sehr gut detektiert und deren Oberfläche mit
ausgezeichneter Qualität dreidimensional
dargestellt werden.
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Insbesondere
kann der Objekthalter so ausgebildet sein, daß eine Raumwinkeldetektion
von 360° oder
von nahezu 360° möglich ist.
Damit kann mittels des erfindungsgemäßen Systems eine konfokale
Tomographie der Oberfläche
durchgeführt
werden. Insbesondere kann mittels des erfindungsgemäßen Systems
eine zerstörungsfreie
Analyse von Teilen komplexer Geometrie, wie z.B. aus der Medizin und
Dentaltechnik, erfolgen.
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Ferner
kann der Objekthalter auch so ausgebildet sein, daß er das
Objekt quer zur optischen Achse des Objektivs bewegen kann. Damit
sind sehr großflächige Aufnahmen
mit hoher Vergrößerung möglich.
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Insbesondere
ist das Mikroskop als konfokales Auflicht-Mikroskop mit Linienfokus
oder Punktfokus ausgebildet. Damit wird eine ausgezeichnete Auflösung bei
der konfokalen Detektion der optischen Schnitte erreicht. Wenn das
Auflicht-Mikroskop einen Linienfokus aufweist, ist eine sehr schnelle Detektion
der einzelnen optischen Schnitte möglich.
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Die
Aufgabe wird ferner gelöst
durch ein Verfahren zur dreidimensionalen Bestimmung der Oberfläche eines
Objekts, bei dem zumindest ein Abschnitt der Oberfläche des
Objekts aus zumindest zwei verschiedenen Raumrichtungen bezogen
auf den Abschnitt jeweils für
mehrere Schnittweiten konfokal in Reflexion detektiert wird, aus
den dabei ermittelten Daten für
jede Raumrichtung ein dreidimensionaler Bilddatensatz des Oberflächenabschnitts
erzeugt wird und die erzeugten Bilddatensätze zu einem dreidimensionalen
Gesamtbild des Oberflächenabschnitts
kombiniert werden.
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Mit
diesem Verfahren kann die Oberfläche bzw.
die Topographie der Oberfläche
von reflektierenden Objekten optisch dreidimensional vollständig erfaßt werden,
auch wenn die Oberfläche
lokal steile Flanken oder sonstige steile Strukturen aufweist.
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Insbesondere
kann bei dem Verfahren bei der Detektion des Abschnitts bei jeder
Raumrichtung ein den Abschnitt beinhaltender, größerer Bereich detektiert werden,
aus den Daten für
jeden Bereich ein dreidimensionaler Bilddatensatz des Oberflächenbereichs
erzeugt werden und die erzeugten dreidimensionalen Bilddatensätze anhand
des in den erzeugten Bilddatensätzen
enthaltenen selben Abschnitts kombiniert werden.
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Zur
Detektion aus unterschiedlichen Raumrichtungen kann das Objekt um
eine oder auch zwei voneinander unabhängige Achsen gedreht werden. Ferner
ist es möglich,
das Objekt auch translatorisch zu bewegen. Die dabei gewonnen dreidimensionalen Bilddaten
können
zu dem Gesamtbild kombiniert werden, so daß große Bereiche dargestellt werden können. Natürlich ist
es möglich,
die Bilddatensätze der
unterschiedlichen Raumrichtungen und der unterschiedlichen translatorischen
Positionen zu dem Gesamtbild zu kombinieren.
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Des
weiteren kann bei der Erzeugung der Bilddatensätze und/oder bei der Kombination
zum Gesamtbild ein Fehler korrigiert werden, der dadurch bedingt
ist, daß die
tatsächliche
Ausrichtung des Objekts bei der Detektion von der vorgegebenen Ausrichtung
abweicht.
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Zur
Kombination der Bilddatersätze
wird insbesondere ein Musteranalyseverfahren eingesetzt, so daß aufgrund
von übereinstimmenden
Mustern in beiden Bilddatensätzen
die Kombination durchgeführt
wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der Figuren noch
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Systems
zur dreidimensionalen Bestimmung der Oberfläche eines Objekts;
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2 eine
vergrößerte Darstellung
des Objektivs 2 zusammen mit dem Objekt OB und dem Objekthalter 11;
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3 eine
Darstellung entsprechend zu 2 jedoch
mit anderem Drehwinkel des Objekthalters 11;
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4 eine
Darstellung der Apertur-Kegel des Objektivs 2 relativ zum
Objekt OB für
die Drehstellungen von 2 und 3, und
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5 eine
weitere Darstellung der Apertur-Kegel für sechs verschiedene Drehstellungen
des Objekts OB.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt das System
zur dreidimensionalen Bestimmung der Oberfläche eines Objektes OB ein konfokales
Auflicht-Mikroskop M, ein Steuermodul S sowie ein Bildmodul B.
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Das
Mikroskop M enthält
zur Detektion eine Mikroskopoptik 1 mit einem Objektiv 2 und
einer Tubuslinse 3, einer Scanneroptik 4, eine
Ablenkeinheit bzw. einen Scanner 5 mit zwei Spiegeln 6, 7,
einen Hauptteiler 8 sowie eine Detektionseinheit 9.
Um das zu untersuchende Objekt über
die Mikroskopoptik 1 beleuchten zu können, umfaßt das Mikroskop M ferner eine
Lichtquelleneinheit 10 (hier eine Laserquelle), deren Licht über den
Hauptteiler 8 zum Scanner 5 geführt wird
und dann die Scanneroptik 4 sowie die Mikroskopoptik 1 in
dieser Reihenfolge durchläuft und
auf das Objekt OB trifft. Die Beleuchtungsrichtung ist durch den
Pfeil P1 und die Detektionsrichtung ist durch den Pfeil P2 angedeutet.
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Das
zu untersuchende Objekt OB ist auf einem um eine erste Achse A1,
die sich senkrecht zur Zeichenebene in 1 erstreckt,
drehbaren Objekthalter 11 befestigt (durch Doppelpfeil
P3 angedeutet). Mit Ausnahme des drehbaren Objekthalters 11 kann
das Mikroskop M wie ein herkömmliches
konfokales Auflicht-Mikroskop ausgebildet sein.
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Das
Steuermodul S ist so ausgebildet, daß mit dem Mikroskop M die mehrfache
Aufnahme von konfokalen Bildstapeln (in verschiedenen Tiefen im Objekt)
desselben Abschnitts des Objekts OB in Reflexion bei unterschiedlichen
räumlichen
Orientierungen des Objekts (unterschiedliche Drehstellungen mittels
des Objekthalters 11) durchgeführt werden kann.
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Es
wird z. B. bei konstantem Abstand zwischen Objektiv 2 und
Objekt OB der Fokusabstand des Objektivs 2 variiert, so
daß das
Licht der Lichtquelleneinheit 10 in unterschiedlichen Tiefen
(unterschiedliche Positionen entlang der optischen Achse OA des
Objektivs 2) fokussiert wird. Natürlich ist es auch möglich, den
Fokusabstand konstant zu halten und das Objekt entlang der optischen
Achse OA des Objektivs zu bewegen. Die Aufnahme in unterschiedlichen
Tiefen im Objekt wird hier als Aufnahme mit verschiedenen Objektivschnittweiten
bzw. verschiedenen Schnittweiten bezeichnet.
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Zur
mehrfachen Aufnahme der konfokalen Bildstapel aus unterschiedlichen
Raumrichtungen steuert das Steuermodul S das Mikroskop M so an, daß zunächst in
einer ersten Drehstellung des Objekthalters 11 das Objekt
mit dem Licht der Lichtquelleneinheit 10 für verschiedene
Objektivschnittweiten beleuchtet und konfokale optische Schnitte
für die verschiedenen
Schnittweiten mit dem an der Oberfläche des Objekts OB reflektierten
Licht (diffus oder gerichtet reflektives Licht) durchgeführt werden.
Dies ist schematisch in 2 dadurch angedeutet, daß für drei verschiedene
Objektschnittweiten jeweils der Aperturkegel des Objektivs 2 dargestellt
ist (als Strichlinie, durchgezogene Linie sowie Strichpunktlinie).
Um den optischen Schnitt zu erhalten, wird in herkömmlicherweise
mittels des Scanners 5 die Laserstrahlung fokussiert (in
die Spitze des Apertur-Kegels in 2) und so über das
Objekt OB bewegt, daß ein
vorbestimmter Bereich 12 der Oberfläche des Objekts OB beleuchtet
und detektiert wird. Der Fokus kann dabei beispielsweise ein Punkt
oder auch ein Linienfokus sein.
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Bei
dem Beispiel von 2 führt die Neigung des Oberflächenabschnitts 13 des
Bereichs 12 des Objekts OB dazu, daß das Licht zur Beleuchtung stets
so am Abschnitt 13 reflektiert wird, daß es nicht zurück in den
Apertur-Kegel gelangt. Damit kann das Mikroskop M den Abschnitt 13 bei
der Detektion aus der Raumrichtung gemäß 1 und 2 optisch nicht
erfassen.
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Jedoch
wird in einem zweiten Schritt das Objekt OB um die Achse A1 gedreht
(hier um 15° nach rechts; 3).
Danach werden in gleicher Weise wie bei der Drehstellung von 1 und 2 wiederum konfokale
optische Schnitte in unterschiedlichen Objektivschnittweiten durchgeführt (nun
aus einer zweiten Raumrichtung, die um 15° gegenüber der ersten Raumrichtung
gedreht ist). Aufgrund der Drehung des Objektes OB wird der Vorteil
erreicht, daß die
im Abschnitt 13 reflektierte Strahlung nun in den Apertur-Kegel
des Objektivs 2 zurückreflektiert
wird, so daß vom
Bereich 12 in dieser Drehstellung auch der Abschnitt 13 optisch
erfaßt
werden kann.
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Die
in beiden Drehstellungen bei den unterschiedlichen optischen Schnitten
mittels der Detektionseinheit 9 erfaßten Daten werden zum Bildmodul
B übertragen.
Das Steuermodul S steuert das Bildmodul B so an, daß es aus
diesen Daten für
jede Drehstellung (also für
jede Raumrichtung der Detektion) einen dreidimensionalen Bilddatensatz
des detektierten Oberflächenbereichs 12 des
Objekts OB erzeugt. Unter Bilddatensatz werden hier insbesondere
dreidimensionale Bilddaten verstanden, die nicht unmittelbar zur
Erzeugung eines Bildes verwendet werden. Jedoch könnte aus
den dreidimensionalen Bilddaten ohne weiteres eine dreidimensionale
Darstellung des Oberflächenbereichs
für jede
Raumrichtung der Detektion erfolgen.
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Das
Bildmodul B kombiniert dann die dreidimensionalen Bilddatensätze zu einem
dreidimensionalen Gesamtbild, das im Vergleich zu den dreidimensionalen
Bilddatensätze
eine dreidimensionale Abbildung des Oberflächenbereichs 12 mit
erweitertem Raumwinkelbereich darstellt. Es können somit Oberflächenbereiche
mit solchen Strukturen (z.B. steile Flanken) optisch detektiert
und nach der beschriebenen Datenverarbeitung dargestellt werden, die
normalerweise aufgrund des durch das Mikroskop M vorgegebenen Apertur-Kegels
optisch nicht erfaßt
werden können.
Mit dem erfindungsgemäßen System
zur dreidimensionalen Bestimmung der Oberfläche eines Objektes ist ein
Aneinanderfügen bzw.
ein Kombinieren von Apertur-Kegeln mit unterschiedlicher Raumrichtung
(bezogen auf den Abschnitt) für
denselben Oberflächenabschnitt
möglich. Man
kann somit auch von einem Apertur-Stitching sprechen.
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Bevorzugt
liegt eine winkelmäßige Überlappung
der einzelnen Apertur-Kegel von 50 % vor. Diese wird erreicht, wenn
der Drehwinkel zwischen zwei Drehstellungen dem Öffnungswinkel des Objektivs 2 entspricht.
Bei dem hier beschriebenen Beispiel weist das Objektiv einen Öffnungswinkel α von 15° auf und
wurde als Drehwinkel αDreh 15° gewählt (2, 3).
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Man
kann das Steuermodul auch so ausbilden, daß man den gewünschten
maximalen Detektionswinkel (α
max) relativ zur optischen Achse OA des Objektivs
2 sowie
den Drehwinkel pro Drehung bzw. Kippung (α
Dreh)
oder die Anzahl der Drehungen n vorgibt. Das Steuermodul kann dann
anhand der Gleichung
n oder α
Dreh für eine Drehrichtung
der Objekthalter
11 ermitteln.
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Für das Beispiel
von 1–3 sind
in 4 die Drehstellung des Apertur-Kegels des Objektivs 2 relativ
zum Abschnitt 13 dargestellt. Der maximale Drehwinkel αmax (bezogen
auf die optische Achse OA des Objektivs 2) beträgt 30°, der Drehwinkel αDreh beträgt 15°, so daß sich aus
Gleichung 1 für dem Öffnungswinkel
von α =
15 für
n 1 ergibt.
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Bei
dem weiteren Beispiel von 5 ergibt sich
bei einem maximalen Drehwinkel αmax = 60°,
einem Öffnungswinkel
(α = 15°) des Objektivs 2 und
einem Drehwinkel αDreh = 15° für n = 3.
So müssen
drei Kippungen um 15° nach
rechts und drei Kippungen um 15° nach
links durchgeführt
(also n = 3 Kippungen für
jede Drehrichtung) werden, wie in 5 schematisch
angedeutet ist.
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Das
Bildmodul B kann bevorzugt noch eine Korrektur bei zumindest einem
der dreidimensionalen Bilddatensätze
durchführen,
bei der Abweichungen der tatsächlichen
Drehstellung des Objekthalters 11 von der Soll-Drehstellungen
korrigiert werden (z.B. mittels eines entsprechenden Programms).
In diesem Fall werden die korrigierten dreidimensionalen Bilddatensätze zu einem
gesamten Bild kombiniert.
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Natürlich kann
der Objekthalter 11 auch so ausgebildet sein, daß er Drehungen
um zwei voneinander unabhängige
Achsen ermöglicht.
Die Achsen sind beide weder parallel zur optischen Achse OA des
Objektivs 2 noch fallen sie mit der optischen Achse OA
des Objektivs 2 zusammen. Der Objekthalter 11 kann
als Tisch ausgebildet sein, es ist jedoch auch möglich, beispielsweise einen
Greifarm mit Robotik und einer bzw. zwei Drehachsen vorzusehen,
um das Objekt OB entsprechend drehen zu können.
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Das
Bildmodul B kann ferner noch eine Korrektur von Lagefehlern bei
der Kombination der dreidimensionalen Bilddaten durchführen (z.B.
mittels Mustererkennung, Korrelation, etc.), so daß eine pixelgenaue
Kombination der dreidimensionalen Bilddaten zur Erzeugung des Gesamtbildes
möglich
ist.
