DE102006030356B4

DE102006030356B4 - Verfahren zur optischen Vermessung von Objekten

Info

Publication number: DE102006030356B4
Application number: DE200610030356
Authority: DE
Inventors: Thorsten Bothe; Michael Schulte; Achim Gesierich
Original assignee: Bremer Institut fuer Angewandte Strahltechnik BIAS GmbH
Current assignee: GOM Gesellschaft fuer Optische Messtechnik mbH
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2026-07-01
Also published as: DE102006030356A1; WO2008000630A1

Abstract

Verfahren zur optischen Vermessung von Objekten auf der Basis von Streifenreflexion mit einer Vorrichtung umfassend einen Bilderzeuger (1), einen Bildaufnehmer (2), eine Vermessungsachse (A), eine Auswerteeinheit (4) und eine optische Abbildungseinheit (3, 3'), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Anordnen des Bilderzeugers (1), des Bildaufnehmers (2) und des zu vermessenden Objekts (O) derart, dass der Bildaufnehmer (2) und das zu vermessende Objekt (O) auf der Vermessungsachse (A) positioniert sind, so dass entlang der Vermessungsachse (A) die von dem Objekt (O) reflektierte Strahlung, welche von dem Bilderzeuger (1) stammt, den Bildaufnehmer (2) erreicht; – Anordnen der optischen Abbildungseinheit (3, 3') auf der Vermessungsachse (A) zwischen dem zu vermessenden Objekt (O) und dem Bildaufnehmer (2), wobei die Abbildungseinheit (3, 3') derart ausgestaltet ist, dass bei der Vermessung des Objekts (O) gesehen von dem Objekt (O) in Richtung der Vermessungsachse (A) hin zum Bildaufnehmer (2) wenigstens ein virtuelles Abbild...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung von Objekten.
Die Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der optischen Vermessung von Objekten mit reflektibvc der Oberfläche von Objekten, insbesondere die Topografie der Oberfläche, ermittelt werden.
Aus dem Stand der Technik ist die optische Vermessung von Objekten mittels der Streifenprojektions- bzw. Streifenreflexionstechnik bekannt. Bei dieser dreidimensionalen Vermessungstechnik wird ein aus Streifen bestehendes flächiges Muster von dem Objekt reflektiert und durch eine Kamera aufgenommen. Mit Hilfe einer Absolutphasenmessung kann jedem aufgenommenen Objektpunkt der entsprechende Punkt des flächigen Musters zugeordnet werden, der zu dem Objektpunkt gehört. Die Streifenreflexionstechnik und die dabei verwendete Absolutphasenmessung sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt und insbesondere in den Druckschriften [1] und [2] beschrieben.
Die Druckschrift [3] zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Struktur einer Oberfläche, bei der ein flächiges Muster durch einen Bilderzeuger erzeugt wird, wobei das Muster an der zu vermessenden Oberfläche des Objekts reflektiert wird und anschließend von einem Bildaufnehmer, vorzugsweise in der Form einer Kamera, erfasst wird. Hierbei wird zur Ermittlung der Struktur der Oberfläche vorzugsweise die oben erwähnte Streifenreflexionstechnik eingesetzt. In der Druckschrift [3] ist ein paraxialer Aufbau gezeigt, bei dem die optische Achse der aufnehmenden Kamera parallel zur Oberflächennormalen des Bilderzeugers verläuft. Dieser paraxiale Aufbau ist zu bevorzugen, da hierdurch eine sehr gute Auflösung des Systems und eine leichte Kalibrierung gewährleistet werden. Der in der Druckschrift [3] gezeigte paraxiale Aufbau weist den Nachteil auf, dass in dem Bilderzeuger eine Öffnung vorgesehen werden muss, in welcher der Bildaufnehmer angeordnet wird. Somit wird ein Bereich des Objekts nicht durch den Bilderzeuger bestrahlt, und in diesem Bereich kann die Oberfläche nicht vermessen werden. Darüber hinaus ist in der Druckschrift [3] ein Aufbau beschrieben, bei dem die Kamera oberhalb des Bilderzeugers angeordnet ist. Hierdurch wird vermieden, dass eine Öffnung im Bilderzeuger vorgesehen werden muss. Jedoch weist diese Variante den Nachteil auf, dass kein paraxialer Aufbau von Kamera und Bilderzeuger mehr vorliegt und somit nicht mehr mit der gleichen Genauigkeit wie bei der Paraxial-Anordnung gemessen werden kann.
Ein weiterer Nachteil der Druckschrift [3] besteht darin, dass die dort beschriebene Vorrichtung für einige Klassen von Objekten nicht verwendbar ist, insbesondere kann die Vorrichtung nicht für kleine Objekte mit starken Krümmungen eingesetzt werden, welche mit sehr hoher lateraler Auflösung vermessen werden sollen Es entsteht hierbei das Problem, dass durch die starken Krümmungen der Objekte das durch den Bilderzeuger erzeugte reflektierte flächige Muster sehr klein wird und deshalb nur ein sehr geringer Bereich der zu vermessenden Oberfläche als reflektiertes flächiges Muster erfasst wird und somit nur ein kleines Messfeld vermessen werden kann.
Um die obige Problemstellung bezüglich eines sehr kleinen nutzbaren Messfelds zu umgehen, ist es denkbar, eine Mehrzahl von Monitoren einzusetzen, um hierdurch das nutzbare Messfeld zu vergrößern. Insbesondere könnte eine Box aus Monitoren konstruiert werden, in deren Ecken Kameras angebracht sind. Hierbei entstehen jedoch Probleme in Hinblick auf Mehrfachreflexionen zwischen den Monitoren und Winkelabhängigkeiten der Monitorgrauverläufe. Darüber hinaus ist eine solche Lösung mit sehr hohem Hardware-Aufwand verbunden, was eine solche Vorrichtung sehr teuer macht.
Eine weitere Variante zur Vergrößerung des nutzbaren Messfelds besteht darin, dass ein Monitor mit einer größeren Fläche verwendet wird. Hierdurch wird die Vorrichtung jedoch sehr groß. Darüber hinaus besteht das Problem, dass bei der Anordnung der Kamera oberhalb des Monitors sehr große Winkel zwischen der zu vermessender Objektoberfläche und der betrachtenden Kamera entstehen. Die Winkel werden noch größer, wenn ein Objekt mit erhöhter lateraler Auflösung vermessen werden soll, da dann der Abstand zwischen Kamera und Messobjekt weiter verringert wird. Bei großen Winkeln zwischen Objektoberfläche und Kameraachse entstehen Probleme bei der Kalibrierung und Topografiebestimmung der Oberfläche des Objekts. Zur Vermeidung von großen Winkeln könnte eine Paraxial-Anordnung verwendet werden, bei der die Kamera oberhalb des Monitors nach unten gerichtet ist und ein Spiegel derart vor der Kamera im Bereich der Monitorfläche positioniert ist, dass die optische Achse der gespiegelten Kameraoptik senkrecht auf der Oberflächennormalen des Monitors steht. Dabei ist es nachteilig, dass durch einen solchen Spiegel Bereiche der Monitorfläche nicht mehr zur Reflexion an der Objektoberfläche zur Verfügung stehen und deshalb Bereiche des Objekts nicht vermessen werden können. Alternativlösungen, bei denen die Kamera hinter dem aktiven Bereich eines TFT-Monitors zum Erfassen der am Objekt reflektierten Muster angeordnet ist, haben sich als nicht praktikabel erwiesen, weil starke Beugungsmuster durch die Monitor-Pixel entstehen.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Dokumenten bekannt, welche Objekte mit Hilfe von projizierten Muster vermessen. Die Druckschrift US 6,229,913 131 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der dreidimensionalen Struktur eines Objekts, wobei ein Bild eines Bildschirms auf ein Objekt projiziert wird und ein Strahlteiler zur Strahlumlenkung verwendet wird. Das Dokument US 6,191,850 131 offenbart ein System und ein Verfahren zum Vermessen der Oberfläche von Objekten mittels strukturierter Beleuchtung. Dabei wird ein vorbestimmtes Gittermuster auf die zu untersuchende Oberfläche projiziert, wobei ebenfalls ein Strahlteiler zur Umlenkung des Projektionsstrahls eingesetzt wird. Das Dokument US 5,003,166 A zeigt ein Verfahren zur dreidimensionalen Vermessung von Objekten, wobei ein Projektor ein Muster auf ein zu vermessendes Objekt projiziert. Die Vorrichtung beinhaltet ebenfalls einen Strahlteiler zur Strahlumlenkung. In dem Dokument US 2005/0035314 A1 ist eine Vorrichtung zur Vermessung einer dreidimensionalen Objektgeometrie gezeigt, wobei auch in diesem Dokument ein Projektor verwendet wird, der ein Muster auf das zu vermessende Objekt projiziert. Ferner wird ein Prisma zur Strahlteilung verwendet. In dem Dokument DE 103 44 051 A1 ist eine weitere Vorrichtung zur Vermessung von Objekten gezeigt, bei der eine Projektion eines Musters auf das Objekt erfolgt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile im Stand der Technik zu vermeiden und ein Verfahren zu schaffen, mit dem über eine einfache und kompakte Vermessungsvorrichtung hochauflösend Objekte mit starken Krümmungen mit Hilfe der Streifenreflexionstechnik vermessen werden.
Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Patentanspruch gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur optischen Vermessung von Objekten auf der Basis von Streifenreflexion mit einer Vorrichtung umfassend einen Bilderzeuger, einen Bildaufnehmer, eine Vermessungsachse, eine Auswerteeinheit und eine optische Abbildungseinheit, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

– Anordnen des Bilderzeugers, des Bildaufnehmers und eines zu vermessenden Objekts derart, dass der Bildaufnehmer und das zu vermessende Objekt auf des Vermessungsachse positioniert sind, so dass entlang der Vermessungsachse die von dem Objekt reflektierte Strahlung, welche von dem Bilderzeuger stammt, den Bildaufnehmer erreicht;
– Anordnen der optischen Abbildungseinheit auf der Vermessungsachse zwischen dem zu vermessenden Objekt und denn Bildaufnehmer, wobei die optische Abbildungseinheit derart ausgestaltet ist, dass bei der Vermessung des Objekts gesehen von dem Objekt in Richtung der Vermessungsachse hin zum Bildaufnehmer wenigstens ein virtuelles Abbild eines von dem Bilderzeuger erzeugten flächigen Musters erzeugt wird, wobei das wenigstens eine virtuelle Abbild an dem Objekt reflektiert wird;
– Erzeugen des flächigen Musters durch den Bilderzeuger;
– Aufnehmen des an dem Objekt reflektierten virtuellen Abbilds des flächigen Musters durch den Bildaufnehmer;
– Auswerten des mit dem Bildaufnehmer aufgenommenen reflektierten virtuellen Abbilds mit Hilfe der Auswerteeinheit, um die Struktur der Oberfläche des Objekts zu ermitteln.

Durch das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte virtuelle Abbild des realen flächigen Musters wird eine Anordnung geschaffen, bei der eine Bestrahlung des Messobjekts entlang der Messachse erfolgt, ohne dass eine Öffnung in dem Bilderzeuger vorgesehen werden muss, über welche die reflektierte Strahlung in den Bildaufnehmer gelangt. Darüber hinaus kann auf einfache Weise eine achsparallele Anordnung des flächigen Musters zur Vermessungsachse geschaffen werden, wodurch eine hohe Genauigkeit der Messung gewährleistet ist. Durch eine entsprechende Anpassung der optischen Abbildungseinheit kann das virtuelle flächige Muster auch sehr nahe an das Objekt platziert werden, so dass auch die Vermessung von kleinen Objekten mit starker Krümmung möglich ist, ohne dass die Fläche des Bilderzeugers vergrößert werden muss.
In einer bevorzugten Variante der Erfindung wird zur Vermessung des Objekts das Streifenreflexionsverfahren mit Absolutphasemessung verwendet, wobei die Absolutphasenmessung von der Auswerteeinheit durchgeführt wird. Bei dieser Messung wird für jeden beleuchteten Oberflächenpunkt des Objekts derjenige Punkt des flächigen Musters ermittelt, der für die Beleuchtung des Oberflächenpunkts verantwortlich ist. Vorzugsweise werden hierbei mehrere unterschiedliche flächige Muster erzeugt, reflektiert und ausgewertet, wodurch die Messgenauigkeit der Absolutphasenmessung erhöht wird. Die erzeugten flächigen Muster sind hierbei vorzugsweise Streifenmuster, insbesondere periodische Streifenmuster. Eine besonders hohe Genauigkeit wird bei der Verwendung von Muster mit sinusförmigen Grauwert- und/oder Helligkeitsverteilungen erreicht.
Eine besonders einfache Realisation des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dann erreicht, wenn die optische Achse des Bildaufnehmers der Vermessungsachse entspricht. Ferner wird eine paraxiale Anordnung der Vorrichtung auf besonders einfache Weise dadurch ermöglicht, dass das virtuelle Abbild des flächigen Musters im Wesentlichen senkrecht auf der Vermessungsachse steht.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das mit dem Bilderzeuger erzeugte flächige Muster im Wesentlichen parallel zur Vermessungsachse seitlich versetzt zwischen Bildaufnehmer und Vermessungsposition angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die optische Abbildungseinheit eine Strahlteilereinheit mit einer Strahlteilerfläche, welche auftreffende Strahlung teilweise reflektiert und teilweise durchlässt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist hierbei die Strahlteilerfläche in einem Winkel von im Wesentlichen 45 Grad zur Vermessungsachse angeordnet. Vorzugsweise ist die Strahlteilereinheit halbdurchlässig, das heißt sie lässt 50% der eintreffenden Strahlung durch und reflektiert die anderen 50%.
In einer Variante der Erfindung ist die Strahlteilereinheit eine beschichtete Glasscheibe und/oder ein Pellikel. Ein Pellikel eignet sich insbesondere zur Vermessung von unbekannten Objekten mit rauen Oberflächen, wie z. B. Lackoberflächen, da durch ein solches Pellikel nur ein einziges virtuelles Abbild des flächigen Musters geschaffen werden kann und keine Phasenverschiebungen zwischen mehreren virtuellen Mustern auftreten, so dass sprunghafte Unstetigkeiten immer eindeutig auflösbar sind. Gegebenenfalls können aber auch mit der beschichteten Glasscheibe oder dem Pellikel mehrere virtuelle Abbilder des flächigen Musters erzeugt werden. In diesem Fall ist in Draufsicht auf die Vorrichtung die beschichtete Glasscheibe und/oder das Pellikel von einer im Wesentlichen senkrecht zur Vermessungsachse verlaufenden und benachbart zur Vermessungsposition liegenden Glasscheibe und/oder von einer im Wesentlichen parallel zur Vermessungsachse verlaufenden und benachbart zum Bilderzeuger hegenden Glasscheibe begrenzt, wobei die Glasscheibe insbesondere einer verspiegelte und/oder polierte Glasscheibe ist. Wie sich aus der detaillierten Beschreibung ergibt, kann hierdurch eine Totalreflexion der Strahlung von dem flächigen Muster erzeugt werden, wodurch weitere virtuelle Abbilder des flächigen Musters generierbar sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist in Blickrichtung der Vermessungsachse an oder benachbart zur Ober- und/oder Unterkante des Bilderzeugers ein auf die Vermessungsachse zuweisender Spiegel angeordnet. Hierdurch können noch weitere virtuelle Abbilder des flächigen Musters oberhalb bzw. unterhalb des ursprünglichen virtuellen Abbilds generiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Strahlteilereinheit durch ein Strahlteilerquader, insbesondere einen Strahlteilerwürfel, gebildet, der zwei über eine Strahlteilerschicht aneinander liegende Prismen umfasst, wobei die Prismen vorzugsweise aus Glas bestehen. Die Prismen können jedoch auch aus einem beliebigen anderen lichtdurchlässigen Material bestehen. Da die Prismen ein optisches Medium aufweisen, das dichter als die umgebende Luft ist, wird hierdurch eine Verkürzung der optischen Wege bewirkt, so dass das generierte virtuelle Abbild des flächigen Musters noch näher an das zu vermessende Objekt angeordnet werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Strahlteilerquader derart zwischen Vermessungsposition und Bildaufnehmer angeordnet, dass in Draufsicht auf die Vorrichtung zwei Seitenflächen des Strahlteilerquaders im Wesentlichen längs der Vermessungsachse, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Vermessungsachse, und zwei Seitenflächen des Strahlteilerquaders im Wesentlichen quer zur Vermessungsachse, vorzugsweise senkrecht zur Vermessungsachse verlaufen, wobei die Strahlteilerschicht in einem schrägen Winkel, vorzugsweise in einem Winkel von im Wesentlichen 45 Grad, zur Vermessungsachse verläuft. Vorzugsweise ist hierbei eine der längs der Vermessungsachse verlaufenden Seitenflächen entspiegelt und/oder poliert, wobei an dieser Seitenfläche bzw. benachbart zu dieser Seitenfläche das flächige Muster durch den Bilderzeuger erzeugt wird. Demgegenüber ist die andere der längs der Vermessungsachse verlaufenden Seitenflächen im Wesentlichen nicht reflektierend oder gering reflektierend. Hierdurch wird verhindert, dass die durch den Strahlteilerquader durchgelassene Strahlung wieder zurück in den Strahlteilerquader fällt und sich mit dem mit der Kamera aufgenommenen reflektierten flächigen Muster überlagert. Die nichtreflektierende Seitenfläche kann beispielsweise rau ausgestaltet sein, insbesondere gesandstrahlt sein. Ferner kann die Seitenfläche zur Absorption von Strahlung geschwärzt sein. In einer anderen Variante ist die Seitenfläche entspiegelt und hinter der Seitenfläche ist eine Lichtfalle angeordnet.
Vorzugsweise ist ferner die quer zur Vermessungsachse verlaufende und benachbart zur Vermessungsposition liegende Seitenfläche des Strahlteilerquaders entspiegelt und/oder poliert, so dass Strahlung am Objekt gut reflektiert. Um einen Strahldurchgang ohne Reflexionen hin zum Bildaufnehmer zu gewährleisten, ist vorzugsweise auch die quer zur Vermessungsachse verlaufende und benachbart zum Bildaufnehmer liegende Seitenfläche entspiegelt und/oder poliert. Durch die Schaffung von planaren polierten Seitenflächen wird insbesondere auch die Erzeugung von weiteren virtuellen Abbildern des flächigen Musters neben dem ursprünglich flächigen Muster gewährleistet, wobei die weiteren virtuellen Abbilder durch die interne Totalreflexion von Strahlung im Strahlteilerquader erzeugt werden. Weitere virtuelle Abbilder des flächigen Musters können dadurch erzeugt werden, dass die Oberseite und/oder Unterseite des Strahlteilerquaders reflektierend, insbesondere verspiegelt und/oder poliert, ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Strahlteilerquader ein Quader mit ungleichen Kantenlängen, wodurch eine geeignete Anpassung des Strahlteilerquaders an Bilderzeuger möglich ist, die ebenfalls ungleiche Kantenlängen aufweisen.
Als Bilderzeuger wird in einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Gitteranordnung verwendet, welche selbstleuchtend ist und/oder durch eine Lichtquelle beleuchtbar ist. Das mit dem Bilderzeuger erzeugte flächige Muster kann hierbei durch die mit der Lichtquelle beleuchtete Gitteranordnung selbst gebildet werden. Es ist jedoch auch möglich, dass das mit dem Bilderzeuger erzeugte flächige Muster ein Abbild der mit der Lichtquelle beleuchteten Gitteranordnung ist, insbesondere ein mit einem Projektor erzeugtes Abbild. Die Gitteranordnung kann hierbei eine Gitteranordnung mit variierbarem Gitterabstand und/oder eine austauschbare Gitteranordnung sein, so dass unterschiedliche flächige Muster für die Absolutphasenmessung generiert werden können.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Gitteranordnung ein LCD-Panel (LCD = Liquid Crystal Display) oder ein LCoS-Panel (LCoS = Liquid Crystal an Silicon). Ebenso kann die Gitteranordnung ein selbstleuchtendes Gitter in der Form eines OLED-Panels (OLED = Organic Light Emitting Diode) sein.
Die zur Beleuchtung der Gitteranordnung verwendete Lichtquelle ist vorzugsweise eine konvergente Lichtquelle mit konvergent auf die Gitteranordnung zulaufendem Strahlverlauf. Hierdurch wird besonders effektiv die gesamte Energie der Lichtquelle in die Vorrichtung gelenkt. Gegebenenfalls ist es auch möglich, dass als Bilderzeuger ein selbst leuchtender Bilderzeuger, insbesondere ein TFT-Bildschirm, verwendet wird, wobei auf dem Bildschirm das flächige Muster wiedergebbar ist.
Der in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Bildaufnehmer ist vorzugsweise eine Kamera, insbesondere eine digitale Kamera. Vorzugsweise wird hierbei eine Kamera mit einem telezentrischen Objektiv oder eine Kamera mit einem übertelezentrischen Objektiv verwendet, wobei ein über-telezentrisches Objektiv das in 8C gezeigte Objektiv ist. Mit solchen Objektiven kann ein besonders breites Messfeld durch das System erfasst werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen kompakten Aufbau der zur Vermessung verwendeten Vorrichtung, insbesondere als tragbares Handgerät.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend detailliert anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf eine optische Vermessungsvorrichtung zur Verwendung in einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Draufsicht auf eine optische Vermessungsvorrichtung zur Verwendung in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine Draufsicht analog zu 2, wobei anhand des Strahlverlaufs ein besonderer Vorteil der zweiten Ausführungsform der Erfindung verdeutlicht wird;
4 eine Darstellung der Seitenflächen eines in einer Ausführungsform der Erfindung verwendeten Strahlteilerwürfels;
5 eine Ansicht, welche die erzeugten virtuellen Abbilder von Gittern wiedergibt, welche mit der Ausführungsform des Strahlteilerwürfels gemäß 4 erzeugt werden;
6 eine Ansicht der Seitenflächen eines Strahlteilerquaders mit ungleich langen Kanten, wie er in einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
7A und 7B Ausführungsformen von in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren Gitteranordnungen; und
8A bis 8C verschiedene Ausführungsform von in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren Kameraobjektiven.
1 zeigt in Draufsicht eine erste Ausführungsform einer im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Vermessungsvorrichtung. Zur Vermessung von Objekten wird in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen die Phasenmesstechnik verwendet, welche in den bereits oben erwähnten Druckschriften [1], [2] und [3] beschrieben ist. Gemäß dieser Technik wird ein streifenförmiges flächiges Muster durch einen Bilderzeuger generiert und dieses Muster wird an dem zu vermessenden Objekt reflektiert. Die reflektierte Strahlung wird über einen Bildaufnehmer aufgenommen und anschließend ausgewertet. Die Auswertung erfolgt durch Absolutphasenmessung, mit der über die Phasen des generierten flächigen Musters eine Zuordnung jedes durch das flächige Muster beleuchteten Objektpunkts zu dem Punkt auf dem flächigen Muster, der für die Beleuchtung des Objektpunkts verantwortlich ist, bestimmt werden kann. Hieraus lässt sich die Topografie der Oberfläche des Objekts in dreidimensionalen Koordinaten bestimmen. Bei der Durchführung der Absolutphasenmessung wird vorzugsweise eine Mehrzahl von verschiedenen flächigen Mustern erzeugt und ausgewertet, wodurch eine höhere Genauigkeit erreicht wird. Die flächigen Muster sind vorzugsweise Streifenmuster in der Form von sinusförmigen Mustern mit entsprechenden sinusförmigen Helligkeitswerten.
In der Ausführungsform gemäß 1 wird ein sinusförmiges Streifenmuster M auf einem Panel 1 erzeugt. Das Panel kann beliebig ausgestaltet sein. Es kann beispielsweise ein Streulicht-Gitter sein, das von einer dahinter liegenden Lichtquelle beleuchtet wird. Ebenso kann es ein beleuchtetes LCD-Display sein. In einer alternativen Variante wird ein LCoS-Display eingesetzt. Diese Displays haben den Vorteil, dass sie eine sehr geringe Größe aufweisen und somit eine Ausgestaltung der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Vorrichtung mit geringen Abmessungen gewährleisten. Darüber hinaus können als Panels auch TFT-Monitore oder ein selbstleuchtendes OLED-Display sowie elektronisches Papier (sog. e-Paper) verwendet werden.
In der Ausführungsform der 1 ist das Panel 1 im Wesentlichen parallel zu einer Vermessungsachse A der Vorrichtung angeordnet. Die Vermessungsachse A ist hierbei die optische Achse des Bildaufnehmers 2, wobei der Bildaufnehmer in 1 eine digitale Kamera mit einem Objektiv 2a und einer CCD-Pixelmatrix 2b ist. Auf der Vermessungsachse A befindet sich ferner eine Vermessungsposition V, an der das zu vermessende Objekt positioniert wird. Zwischen der Position V und der Kamera 2 befindet sich ein Strahlteiler 3, der in der Ausführungsform der 1 ein so genanntes Pellikel ist. Pellikel sind mit starker Spannung aufgezogene Polymerfolien, welche den Vorteil haben, dass im Wesentlichen keine Interferenzen zwischen Vorder- und Rückseite des Pellikels entstehen. Aufgrund der Strahlteilerfunktion des Pellikels 3 wird ein Teil der einfallenden Strahlung durchgelassen und der andere Teil wird reflektiert. Es sind hierbei beliebige Verhältnisse von durchgelassener zu reflektierter Strahlung möglich. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Pellikel halbdurchlässig, das heißt 50% der einfallenden Strahlung wird reflektiert und 50% der einfallenden Strahlung wird durchgelassen.
In 1 sind Verläufe S1 und S2 für zwei unterschiedliche Neigungen des Objekts O mit Winkeln α1 bzw. α2 wiedergegeben. Für die Objektneigung mit dem Winkel α1 beginnt der Strahlverlauf S1 an einem Punkt P1 auf dem Panel 1, wohingegen der Strahlverlauf S2 für die Objektneigung mit dem Winkel α2 an einem anderen Punkt P2 auf dem Panel 1 beginnt. Der von den Punkten P1 bzw. P2 kommende Strahl wird an dem Pellikel 3 teilweise reflektiert und die reflektierten Strahlen fallen auf das Objekt und werden von dort Richtung Kamera 2 reflektiert. In 1 sind hierbei nur die reflektierten Strahlen angedeutet. Die Strahlen, die durch das Pellikel 3 durchgelassen werden, treten aus der Vorrichtung nach links wieder aus. Um eine störende Rückreflexion der Strahlen hinein in die Vorrichtung zu vermeiden, kann gegebenenfalls eine Lichtfalle links von der Vorrichtung angeordnet sein, beispielsweise in der Form eines dunklen Samtstoffes. Die Strahlen S1 und S2 werden schließlich an dem Objekt reflektiert und gelangen dann entlang der optischen Achse A in das Kameraobjektiv, so dass das an dem Objekt O reflektierte Muster mit der Kamera 2 aufgenommen wird. Das aufgenommene Muster kann dann über eine entsprechende Auswerteeinheit 4 ausgewertet werden, wobei vorzugsweise eine Vielzahl von Muster mit unterschiedlichen Perioden ausgewertet werden. Die Auswerteeinheit berechnet über die Absolutphasenmessung dann die Struktur der Oberfläche des Objekts O. Die Auswerteeinheit ist hierbei insbesondere ein Rechner, beispielsweise ein PC, mit dem die entsprechenden Berechnungen zur Ermittlung der Topografie der Oberfläche des Objekts O durchgeführt werden.
Aufgrund der Reflexion an dem Pellikel, welches in einem Winkel von 45° zur optischen Achse A angeordnet ist, entsteht ein virtuelles Abbild M' des flächigen Musters M zwischen Vermessungsposition V und Kameraobjektiv 2a. Dieses virtuelle Muster M' ist durch einen gepunkteten Sinus angedeutet. Das Muster M' wird nur dann gesehen, wenn man in der Vermessungsposition V entlang der optischen Achse A hin zum Kameraobjektiv 2a blickt. Dies ergibt sich aus der gepunktet gezeichneten Verlängerung S1' bzw. S2' der Strahlverläufe S1 und S2, durch welche das virtuelle Muster M' entsteht. Das virtuelle Muster M' strahlt ausschließlich hin zu der Vermessungsposition V, das heißt, selbst wenn das ursprüngliche Muster M auch Strahlung nach rechts weg von der Vorrichtung erzeugt hat, wird diese Strahlung im virtuellen Muster M' nicht reproduziert, so dass keine rückwärtige Strahlung vom Muster M' in das Kameraobjektiv 2a fällt.
Wie sich aus 1 ergibt, wird mit der Anordnung eine paraxiale Vermessung des Objekts O dadurch gewährleistet, dass das Objekt durch das virtuelle Muster M' bestrahlt wird, welches auf der Achse A angeordnet ist und im Wesentlichen senkrecht auf dieser Achse ist. Der große Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass das virtuelle Muster ganzflächig das Objekt bestrahlt, insbesondere wird auch der Bereich vor dem Kameraobjektiv durch das virtuelle Muster erfasst. Dies ist bei herkömmlichen paraxialen Vermessungsanordnungen nicht der Fall, da hier reale Gitter verwendet werden, so dass sich am Objektiv der Kamera selbst kein Gitter befinden darf, da sonst keine Aufnahme der reflektierten flächigen Muster möglich ist.
Der in 1 verwendete Strahlteiler sollte nichtpolarisierend sein und geringe Winkelabhängigkeit aufweisen, da die Strahlteilerfunktion für sehr unterschiedliche Strahlrichtungen benötigt wird. Es sind jedoch auch Anordnungen und Ausführungsformen von Strahlteilern denkbar, welche polarisierend sind. Im Falle, dass das Messobjekt auch durch das reale flächige Muster M angestrahlt wird, bilden das virtuelle Muster M' und das reale Muster M über Eck eine vergrößerte Fläche eines zu reflektierenden Musters. Dies vergrößert den Bereich der messbaren Maximalwinkel bzw. Krümmungen erheblich, jedoch hat diese Anordnung den Nachteil, dass die Messergebnisse für das reale Muster M und das virtuelle Muster M voneinander manuell getrennt werden müssen.
Der Vorteil der Anordnung der 1 besteht darin, dass das virtuelle Gitter M' sehr nahe an das Objekt herangeführt werden kann, so dass eine sehr gute Ausleuchtung aller Objektbereiche, auch bei starken Krümmungen im Objekt, gewährleistet ist. Gegebenenfalls können in der Anordnung der 1 weitere Elemente, insbesondere Spiegel, vorgesehen sein. Beispielsweise können die Oberseite und/oder die Unterseite des Pellikels 3 mit Spiegeln ausgestaltet sein, wodurch aufgrund der auftretenden Reflexionen an den Spiegeln weitere virtuelle Muster oberhalb und unterhalb des Musters M' erzeugt werden. Hierdurch wird das virtuelle Muster, mit dem das Objekt ausgeleuchtet wird, nochmals vergrößert.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Vermessungsvorrichtung. Analog zu 1 ist die Vorrichtung in Draufsicht gezeigt. Der Aufbau der Vorrichtung der 2 entspricht in großen Teilen dem Aufbau der Vorrichtung der 1, so dass gleiche Bauteile in 2 mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind. In Übereinstimmung mit 1 wird in 2 ein flächiges Muster M durch einen Bilderzeuger 1 erzeugt und nach Reflexion an einer Strahlteilerfläche und einem Objekt O von einem Bildaufnehmer 2 mit Objektiv 2a und CCD-Matrix 2b aufgenommen. Ebenso werden analog zu 1 die aufgenommenen flächigen Muster über eine Absolutphasenmessung durch eine Auswerteeinheit 4 ausgewertet.
Der Unterschied der 2 zur 1 besteht darin, dass anstatt eines dünnen Strahlteilers in der Form eines Pellikels ein Strahlwürfel 3' verwendet wird. Dieser Strahlteilerwürfel besteht aus zwei 90°-Prismen 301 und 302 aus Glas, wobei die Kanten der Prismen, die jeweils dem 90°-Winkel gegenüberliegen, über eine Strahlteilerfläche 303 aneinander liegen. Die Strahlteilerfläche wird hierbei durch eine entsprechende Strahlteilerschicht gebildet, beispielsweise durch eine halbdurchlässige Beschichtung. Der Strahlteilerwürfel 3' weist in der Draufsicht der 2 zwei parallel zur optischen Achse A verlaufenden Seitenflächen 3a und 3b auf, wobei in der vereinfachten Darstellung der 2 das Panel 1 mit der Seitenfläche 3a zusammenfällt. Üblicherweise besteht jedoch ein Abstand zwischen dem realen Panel und der Seitenfläche. Die anderen beiden, senkrecht zur optischen Achse A verlaufenden Seitenflächen sind in 2 mit 3c und 3d bezeichnet.
In 1 sind die Verläufe S0, S1 und S2 für drei, jeweils von den Punkten P1, P2 bzw. P3 stammenden Strahlen wiedergegeben. Die Strahlenverläufe S0, S1 bzw. S2 sind hierbei die Strahlenverläufe für ein Objekt O mit der Neigung α = 0, α1 bzw. α2. Analog zu 1 ergibt sich durch den Strahlteilerwürfel in 2 wiederum ein virtuelles flächiges Muster M', welches nur gesehen wird, wenn man von der Vermessungsposition V in Richtung auf das Kameraobjektiv 2a blickt. Die Erzeugung des virtuellen Musters ist wiederum durch entsprechende Strahlverlängerungen S0', S1' bzw. S2' angedeutet.
Durch die Verwendung eines Strahlteilerwürfels ergibt sich ein robuster Aufbau der Vorrichtung, da die Strahlteilerfläche 303 geschützt innerhalb des Würfels vorgesehen ist und der Würfel ferner selbst als tragendes Element verwendet werden kann. Die Seitenfläche 3b des Würfels ist vorzugsweise nichtreflektierend ausgestaltet, so dass eine Überlagerung des flächigen virtuellen Musters M' mit von der Seitenfläche 3b reflektierter Strahlung 3b verhindert wird. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um die Fläche 3b nichtreflektierend auszugestalten. Beispielsweise kann die Fläche gesandstrahlt und geschwärzt werden. Ebenso kann die Fläche 3b entspiegelt werden und links neben der Fläche eine Lichtfalle vorgesehen werden, um einen Rückeintritt von Strahlung in den Würfel zu verhindern. Um den Eintritt der Strahlung von dem flächigen Muster M in den Würfel 3' zu gewährleisten, sollte die Fläche 3a entspiegelt sein. Das gleiche gilt für die Fläche 3c, über welche das von dem Objekt O reflektierte Licht in den Würfel eindringt. Ebenso sollte auch die Fläche 3d entspiegelt sein, weil über diese Fläche der Austritt des von dem Objekt reflektierten Lichts hin zum Kameraobjektiv 2a erfolgt.
Die Verwendung eines Strahlteilerwürfels hat ferner den Vorteil, dass durch die Verwendung des optisch dichteren Mediums Glas der optische Weg der Strahlen im Strahlteilerwürfel verkürzt wird, so dass das virtuelle Muster M' noch näher an das Messobjekt angeordnet werden kann und somit eine noch bessere Beleuchtung des Objekts ermöglicht wird.
3 zeigt nochmals eine Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß 2, wobei in 3 ein weiterer Effekt verdeutlicht ist, der sich bei der Verwendung eines Strahlteilerwürfels in der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Vermessungsvorrichtung ergibt. An den Flächen 3a und 3c tritt der physikalische Effekt der internen Totalreflexion auf, wonach alle Strahlung ab einem vorbestimmten Einfallswinkel an den Flächen reflektiert wird. Zur Verdeutlichung dieses Effekts ist ein normaler Strahlverlauf L1 zur Erzeugung des virtuellen flächigen Musters M' wiedergegeben sowie zwei Strahlverläufe L2 und L3, bei denen Totalreflexion auftritt. Der Strahlverlauf L1 erzeugt gesehen von der Vermessungsposition V einen Punkt Z1 auf dem Muster M', der sich aus der Verlängerung L1' des Strahlverlaufs L1 ergibt. Gemäß dem Strahlverlauf L2 erfolgt zunächst eine Reflexion an der Strahlteilerfläche 303 und anschließend eine interne Totalreflexion an der Seitenfläche 3a. Wie sich aus der Verlängerung L2' des Strahls L2 ergibt, wird hierdurch ein Punkt Z2 auf einem weiteren virtuellen flächigen Muster M2' erzeugt, welches rechts neben dem Muster M' liegt. Das Muster M2' ist hierbei eine spiegelverkehrte Instanz des Musters M'. Analog wird ein spiegelverkehrtes Muster M1' erzeugt. Dies ist durch den Strahlverlauf L3 verdeutlicht, bei dem zunächst eine interne Totalreflexion an der Seitenfläche 3c und anschließend eine Reflexion an der Strahlteilerfläche 303 stattfindet. Durch die Verlängerung L3' des Strahlverlaufs L3 ergibt sich der Punkt Z3 auf dem weiteren virtuellen flächigen Muster M1'. Wie sich anschaulich aus 3 ergibt, werden bei der Verwendung eines Strahlteilerwürfels 3' somit drei Instanzen des ursprünglichen flächigen Musters M erzeugt, nämlich die Muster M', M1' und M2'. Durch diese Vervielfältigung wird das virtuelle Muster durch die Hinzufügung der Muster M1' und M2' deutlich vergrößert, wodurch eine nochmals vergrößerte Beleuchtung des Objekts bewirkt wird und somit Objekte mit sehr starken Krümmungen vermessen werden können.
4 zeigt eine weitere Ausführungsfom eines gemäß der Erfindung verwendbaren Strahlteilerwürfels in einer Ansicht, in der die einzelnen Würfelflächen aufgeklappt nebeneinander wiedergegeben sind. Die obere Würfelfläche ist hierbei die nichtreflektierende Würfelfläche 3b und die unterhalb der Würfelfläche 3b befindliche Fläche stellt die Würfelfläche 3d benachbart zum Kameraobjektiv dar. Die beiden Würfelflächen mit den diagonalen Linien, welche links und rechts benachbart zur Würfelfläche 3d liegen, sind die Ober- und Unterseiten des Würfels und mit den Bezugszeichen 3e und 3f bezeichnet, wobei 3e die Unterseite und 3f die Oberseite des Würfels ist. Unterhalb der Würfelfläche 3d befindet sich die Seitenfläche 3a, an der das Panel 1 angeordnet ist und rechts neben der Oberseite 3f liegt die Würfelseite 3c, an welcher das zu vermessende Objekt positioniert wird.
Wie bereits zuvor erwähnt, sind die Seitenflächen 3a, 3c und 3d vorzugsweise entspiegelt ausgestaltet und die Seitenfläche 3b ist vorzugsweise nichtreflektierend. In der in 4 gezeigten Ausführungsform sind die Ober- und Unterseite 3e und 3f verspiegelt ausgestaltet. Durch diese Verspiegelung wird als weiterer Effekt eine nochmalige Vergrößerung des virtuellen flächigen Musters M' erreicht, da auch eine nochmalige Reflexion der Strahlen an Ober- und Unterseite stattfindet. Dieser Effekt ist aus 5 ersichtlich, in der die gemäß dem Strahlteilerwürfel der 4 erzeugten virtuellen flächigen Muster, gesehen von dem Objekt in Richtung auf das Kameraobjektiv, wiedergegeben sind. Es werden hierbei die bereits in der Draufsicht der 3 wiedergegebenen Muster M', M1' und M2' erzeugt, wobei das Muster M1' durch eine interne Totalreflexion an der Würfelfläche 3c und das Muster M2' durch eine interne Totalreflexion an der Würfelfläche 3a generiert wird. Aufgrund der weiteren Reflexionen an den Würfelflächen 3e bzw. 3f werden von den Mustern M', M1' und M2' nochmalige spiegelverkehrte Instanzen erzeugt, welche oberhalb bzw. unterhalb der entsprechenden Muster liegen. In 5 werden somit für das Muster M1' noch die beiden Muster M1'' und MF''' erzeugt, für das Muster M' werden die beiden weiteren Muster M'' und M''' generiert und für das Muster M2' entstehen nochmals die beiden weiteren Muster M2'' und M2'''. Es wird hierdurch eine neunfache Vergrößerung des ursprünglichen flächigen Musters M bewirkt.
6 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer gemäß der Erfindung verwendbaren Strahlteilereinheit. Im Unterschied zu einem Strahlteilerwürfel handelt es sich in diesem Fall um einen Strahlteilerquader, wobei die Seitenflächen des Quaders analog zu 4 im aufgeklappten Zustand wiedergegeben sind. Der Strahlteilerquader der 6 entspricht in seinem Aufbau und seiner Funktion dem Strahlteilerwürfel in 4, SO dass zur Bezeichnung der Flächen die gleichen Bezugszeichen 3a bis 3f verwendet wurden. Insbesondere ist die Seitenfläche 3a die Seitenfläche, an der das Panel 1 angeordnet ist, die Seitenfläche 3b ist die nichtreflektierende Seitenfläche gegenüber des Panels, die Seitenfläche 3c ist die Seitenfläche, an der das Objekt positioniert wird, und die Flächen 3e bzw. 3f sind Unter- bzw. Oberseite des Strahlteilerquaders. Der Vorteil des Strahlteilerquaders in 6 besteht darin, dass die herkömmlicherweise verwendeten Panels meist nicht quadratisch, sondern rechteckförmig sind, das heißt die Kanten der Panels sind nicht gleich lang. Dieser Tatsache wird mit dem Strahlteilerquader der 6 Rechnung getragen, bei dem die Seitenfläche 3a die rechteckige Form eines herkömmlichen Panels hat, so dass das Panel vollflächig auf diese Seitenfläche aufgesetzt werden kann. Ein weiterer Vorteil der Verwendung des Strahlteilerquaders der 6 besteht darin, dass rechteckige Kameraformate besser ausgenutzt werden können.
7A und 7B zeigen zwei mögliche Ausgestaltungen von Panels, welche in der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Vorrichtung verwendbar sind, wobei zur Strahlteilung ein Strahlteilerwürfel 3' eingesetzt wird. Damit das auf dem Panel erzeugte flächige Muster M vom Objekt reflektiert werden kann, muss das Panel ein beleuchtetes, reelles Panel sein oder das reelle Abbild eines Panels, welches beispielsweise über einen Projektor erzeugt werden kann. Das Licht der hellen Bereiche des flächigen Musters M muss von dem Panel auf das entsprechende Messobjekt zulaufen und zwar dergestalt, dass jeder Punkt des Messfeldes, welches mit der Vorrichtung vermessen wird, von jedem Punkt des Panels erreicht wird. Diese Bedingung wird auf jeden Fall durch Streulicht-Gitter erfüllt. Ebenso wird die Bedingung durch selbstleuchtende Gitter, wie z. B. OLEDs gewährleistet. In 7A ist die Verwendung eines solchen OLEDs als Panel 1 gezeigt. Das Messfeld ist in 7A mit MA bezeichnet. 7A zeigt den minimal benötigten Lichtkegelwinkel α eines einzelnen LEDs auf dem Panel 1 dar, um das Messfeld MA komplett auszuleuchten. Winkel in der Größenordnung, wie sie in 7A gezeigt sind, werden mit den LEDs von herkömmlichen OLEDs problemlos erreicht. Ein Vorteil der Anordnung der 7A besteht darin, dass eine derartige Vermessungsvorrichtung sehr kompakt aufgebaut ist, da das Panel selbstleuchtend ist und somit keine gesonderte Lichtquelle mehr vorgesehen werden muss.
7B zeigt eine weitere Variante eines Panels 1, wobei ein Streulicht-Gitter verwendet wird. Da das Streulicht-Gitter nicht selbstleuchtend ist, wird es über eine Lichtquelle 6 und zwischengeschalteten Linsen 5 und 5' beleuchtet. Hierbei wird die produzierte Lichtenergie optimal ausgenutzt, da verhindert wird, dass Lichtenergie an der Messfläche MA vorbeifließt. Dies wird dadurch erreicht, dass das Gitter konvergent beleuchtet wird und sich hieraus ein Lichtkegel ergibt, der die gesamte Lichtenergie der Lichtquelle 6 enthält und nach der Reflexion an der Strahlteilerfläche 303 den gesamten Messbereich MA ausleuchtet. Die Variante gemäß 7B weist den Vorteil auf, dass sehr große Lichtmengen gerichtet zur Vermessung mittels Streifenreflexion verwendet werden können. Da die erreichbare Genauigkeit der Streifenreflexionstechnik direkt mit der verfügbaren Lichtmenge zusammenhängt, ergibt sich auf diese Weise ein sehr großes Potential für hochgenaue Topografievermessungen von Objekten.
8A bis 8C zeigen verschiedene Varianten der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Vermessungsvorrichtung, wobei sich die Varianten in Hinblick auf das verwendete Kameraobjektiv der Kamera 2 unterscheiden. Alle drei Ausführungsformen haben gemeinsam, dass zur Erzeugung des flächigen Musters M ein OLED-Panel 1 eingesetzt wird und zur Strahlteilung ein entsprechender Strahlteilerwürfel 3' verwendet wird.
8A zeigt die Verwendung eines normalen, perspektivischen Objektivs 2a. Wie man aus den Strahlverläufen der 8A erkennt, benötigt man zur Ausleuchtung des Messfelds MA einen Bereich AR auf dem Panel 1, der größer als MA ist.
8B zeigt die Verwendung eines telezentrischen Objektivs 2a' mit einem parallelen Strahlengang. Man erkennt, dass das Feld AR auf dem OLED-Panel, welches zur Beleuchtung des Messfelds MA benötigt wird, gegenüber 8A verkleinert ist. Dies bedeutet, dass mit einem solchen Objektiv bei gleicher Panelfläche ein größerer Messbereich MA ausgeleuchtet werden kann.
8C zeigt eine weitere Objektivart, bei der ein divergenter Strahlverlauf vorliegt. Diese Objektivart wird in der vorliegenden Anmeldung als über-telezentrisch bezeichnet. Man erkennt, dass mit dieser Objektivart im Wesentlichen durch einen einzigen Punkt auf dem OLED-Panel der gesamte Messbereich MA ausgeleuchtet werden kann, so dass bei der Verwendung dieser Objektivart ein sehr großes Messfeld abgedeckt werden kann.
Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird eine Vermessung mit einem auf Streifenreflexion beruhenden Messsystem geschaffen, welches eine echte Paraxial-Anordnung durch virtuell zwischen Objekt und Kamera eingebrachte flächige Muster aufweist. Darüber hinaus kann gegebenenfalls die interne Totalreflexion bei einem Strahlteilerwürfel dazu verwendet werden, das virtuelle flächige Muster zu vergrößern. Durch die Verwendung eines Strahlteilers in Quaderform kann ein optimierter Formfaktor erreicht werden, das heißt es wird hierdurch eine Anpassung der Strahlteileranordnung an herkömmliche Panelabmessungen möglich. Ferner kann gemäß der Erfindung eine konvergente Beleuchtung realisiert werden, mit der die durch eine Beleuchtungsvorrichtung bereitgestellte Lichtmenge optimal ausgenutzt wird und hierdurch eine sehr hohe Vermessungsgenauigkeit erreicht werden kann. Darüber hinaus kann die Kameraoptik derart optimiert werden, dass die nutzbare Fläche stark maximiert wird, so dass auch stark gekrümmte Oberflächen vermessen werden können. Die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Vorrichtung kann insbesondere als kleines Handgerät realisiert werden oder zur Integration in anderen Systemen bzw. in Robotern eingesetzt werden. Ferner kann die Messvorrichtung günstig als Massenprodukt gefertigt werden.
Literaturverzeichnis:

[1] T. Bothe, W. Osten, A. Gesierich, W. Jüptner: ”Compact 3D-Camera”, Proc. SPIE Vol. 4778, 2002, Seiten 48–59
[2] J. Burke, T. Bothe, W. Osten, C. Hess: ”Reverse engineering by fringe projection”. Proc. SPIE Vol. 4778, 2002, Seiten 312–324
[3] DE 103 45 586 A1

Claims

Verfahren zur optischen Vermessung von Objekten auf der Basis von Streifenreflexion mit einer Vorrichtung umfassend einen Bilderzeuger (1), einen Bildaufnehmer (2), eine Vermessungsachse (A), eine Auswerteeinheit (4) und eine optische Abbildungseinheit (3, 3'), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Anordnen des Bilderzeugers (1), des Bildaufnehmers (2) und des zu vermessenden Objekts (O) derart, dass der Bildaufnehmer (2) und das zu vermessende Objekt (O) auf der Vermessungsachse (A) positioniert sind, so dass entlang der Vermessungsachse (A) die von dem Objekt (O) reflektierte Strahlung, welche von dem Bilderzeuger (1) stammt, den Bildaufnehmer (2) erreicht; – Anordnen der optischen Abbildungseinheit (3, 3') auf der Vermessungsachse (A) zwischen dem zu vermessenden Objekt (O) und dem Bildaufnehmer (2), wobei die Abbildungseinheit (3, 3') derart ausgestaltet ist, dass bei der Vermessung des Objekts (O) gesehen von dem Objekt (O) in Richtung der Vermessungsachse (A) hin zum Bildaufnehmer (2) wenigstens ein virtuelles Abbild eines von dem Bilderzeuger (1) erzeugten flächigen Musters (M) erzeugt wird, wobei das wenigstens eine virtuelle Abbild (M') an dem Objekt (O) reflektiert wird; – Erzeugen des flächigen Musters (M) durch den Bilderzeuger (1); – Aufnehmen des an dem Objekt reflektierten virtuellen Abbilds (M') des flächigen Musters (M) durch den Bildaufnehmer (2); – Auswerten des mit dem Bildaufnehmer (2) aufgenommenen reflektierten virtuellen Abbilds (M') des flächigen Musters (M) mit Hilfe der Auswerteeinheit (4), um die Struktur der Oberfläche des Objekts (O) zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) durch eine Absolutphasenmessung für jeden beleuchteten Oberflächenpunkt des Objekts (O) denjenigen Punkt des flächigen Musters (M) ermittelt, der für die Beleuchtung des Oberflächenpunkts verantwortlich ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vermessung eines Objekts (O) mehrere unterschiedliche flächige Muster (M) erzeugt, reflektiert und ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die erzeugten flächigen Muster (M) Streifenmuster, insbesondere periodische Streifenmuster, sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Streifenmuster Muster mit sinusförmiger Grauwert- und/oder Helligkeitsverteilung sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermessungsachse (A) die optische Achse des Bildaufnehmers (2) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine virtuelle Abbild (M') des flächigen Musters (M) senkrecht auf der Vermessungsachse (A) steht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Bilderzeuger (1) erzeugte flächige Muster (M) parallel zur Vermessungsachse (A) seitlich versetzt zwischen Bildaufnehmer (2) und Vermessungsposition (V) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Abbildungseinheit (3, 3') eine Strahlteilereinheit mit einer Strahlteilerfläche (303) umfasst, welche auftreffende Strahlung teilweise reflektiert und teilweise durchlässt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteilerfläche (303) in einem Winkel von 45 Grad zur Vermessungsachse (A) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteilereinheit (3, 3') halbdurchlässig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteilereinheit (3) eine beschichtete Glasscheibe und/oder ein Pellikel ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichtete Glasscheibe und/oder das Pellikel in Draufsicht auf die Vorrichtung von einer im Wesentlichen senkrecht zur Vermessungsachse (A) verlaufenden und benachbart zur Vermessungsposition liegenden Glasscheibe und/oder von einer parallel zur Vermessungsachse (A) verlaufenden und benachbart zum Bilderzeuger (1) liegenden Glasscheibe, insbesondere einer entspiegelten und/oder polierten Glasscheibe, begrenzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Blickrichtung der Vermessungsachse (A) an oder benachbart zur Ober- und/oder Unterkante des Bilderzeugers (1) ein auf die Vermessungsachse (A) zuweisender Spiegel angeordnet ist, um das virtuelle Abbild (M') des flächigen Musters (M) zu vervielfältigen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 oder Anspruch 14 in Kombination mit einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteilereinheit ein Strahlteilerquader (3'), insbesondere ein Strahlteilerwürfel ist, der zwei über eine Strahlteilerschicht (303) aneinander liegende Prismen (301, 302), vorzugsweise aus Glas, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteilerquader (3') derart zwischen Vermessungsposition (V) und Bildaufnehmer (2) angeordnet ist, dass in Draufsicht auf die Vorrichtung zwei Seitenflächen (3a, 3b) des Strahlteilerquaders (3') längs der Vermessungsachse (A), vorzugsweise parallel zur Vermessungsachse (A), und zwei Seitenflächen (3c, 3d) des Strahlteilerquaders (3') quer zur Vermessungsachse (A), vorzugsweise senkrecht zur Vermessungsachse (A), verlaufen, wobei die Strahlteilerschicht (303) in einem schrägen Winkel, vorzugsweise von 45 Grad, zur Vermessungsachse (A) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine der längs der Vermessungsachse (A) verlaufenden Seitenflächen (3a) des Strahlteilerquaders (3') entspiegelt und/oder poliert ist und an oder benachbart zu dieser Seitenfläche (3a) das flächige Muster (M) durch den Bilderzeuger (1) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die andere der längs der Vermessungsachse (A) verlaufenden Seitenflächen (3b) des Strahlteilerquaders (3') nicht oder gering reflektierend ist.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die andere der längs der Vermessungsachse (A) verlaufenden Seitenflächen (3b) des Strahlteilerquaders (3') rau, insbesondere gesandstrahlt, und/oder geschwärzt ist.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die andere der längs der Vermessungsachse (A) verlaufenden Seitenflächen (3b) des Strahlteilerquaders (3') entspiegelt ist und hinter der Seitenfläche (3b) eine Lichtfalle angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die quer zur Vermessungsachse (A) verlaufende und benachbart zur Vermessungsposition (V) liegende Seitenfläche (3c) des Strahlteilerquaders (3') entspiegelt und/oder poliert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die quer zur Vermessungsachse (A) verlaufende und benachbart zum Bildaufnehmer (2) liegende Seitenfläche (3d) entspiegelt und/oder poliert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite und/oder Unterseite (3e, 3f) des Strahlteilerquaders (3') reflektierend, insbesondere verspiegelt und/oder poliert, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteilerquader (3') ein Quader mit ungleichen Kantenlängen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bilderzeuger (1) eine Gitteranordnung umfasst, welche selbstleuchtend ist und/oder durch eine Lichtquelle (6) beleuchtbar ist.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Bilderzeuger (1) erzeugte flächige Muster (M) die mit der Lichtquelle (6) beleuchtete Gitteranordnung ist.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Bilderzeuger (1) erzeugte flächige Muster (M) ein Abbild der mit der Lichtquelle (6) beleuchteten Gitteranordnung ist, insbesondere ein mit einem Projektor erzeugtes Abbild.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitteranordnung eine Gitteranordnung mit variierbarem Gitterabstand und/oder eine austauschbare Gitteranordnung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitteranordnung ein LCD-Panel oder ein LCoS-Panel umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitteranordnung ein OLED-Panel umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (6), mit der die Gitteranordnung beleuchtbar ist, eine konvergente Lichtquelle mit konvergent auf die Gitteranordnung zulaufendem Strahlverlauf ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bilderzeuger (1) ein selbst leuchtender Bilderzeuger, insbesondere ein TFT-Bildschirm ist, auf dem das flächige Muster (M) wiedergebbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildaufnehmer (2) eine Kamera, insbesondere eine digitale Kamera, ist.
Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera ein telezentrisches Objektiv (2a') und/oder ein Objektiv (2a'') mit divergentem Strahlverlauf umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Vermessung verwendete Vorrichtung ein tragbares Handgerät ist.