DE102022116214B4

DE102022116214B4 - Messkamera und Verfahren zur zweidimensionalen Vermessung von Gegenständen

Info

Publication number: DE102022116214B4
Application number: DE102022116214.1
Authority: DE
Inventors: Aksel Göhnermeier
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2024-06-13
Anticipated expiration: 2042-06-30

Abstract

Messkamera (40) zur zweidimensionalen Vermessung von Gegenständen (26), mit
einem objektseitig telezentrischen Objektiv (42), das eine Pupillenebene (48) hat,
einem zweidimensionalen Bildsensor (56),
einem variablen Pupillenfilter, das ein Mikrospiegel-Array (50) aufweist, das in der Pupillenebene (48) angeordnet ist und eine Vielzahl von Mikrospiegeln (51) hat, die jeweils in eine erste und in eine zweite stabile Kippstellung überführbar sind,
einem Beleuchtungssystem (70), das dazu eingerichtet ist, Licht zu erzeugen und mit Hilfe des Mikrospiegel-Arrays (50) auf den Gegenstand (26) zu richten,
eine Steuereinrichtung (58), die dazu eingerichtet ist, das Mikrospiegel-Array (50) zu steuern, wobei
ein Mikrospiegel (51), der sich in der ersten Kippstellung befindet, Licht, das vom Beleuchtungssystem (70) erzeugt wurde, so reflektiert, dass es nicht auf den Gegenstand (26) gelangen kann, und Licht, das von dem Gegenstand (26) reflektiert wurde, so reflektiert, dass es auf den Bildsensor (56) gelangen kann,
ein Mikrospiegel (51), der sich in der zweiten Kippstellung befindet, Licht, das vom Beleuchtungssystem (70) erzeugt wurde, so reflektiert, dass es auf den Gegenstand (26) gelangen kann, und Licht, das von dem Gegenstand (26) reflektiert wurde, so reflektiert, dass es nicht auf den Bildsensor (56) gelangen kann, und wobei
die Steuereinrichtung (58) dazu eingerichtet ist, das Mikrospiegel-Array (50) zur Durchführung einer Aufnahme eines Bildes einer Oberfläche (78) des Gegenstands (26) mit koaxialer Dunkelfeldbeleuchtung oder koaxialer Auflichtbeleuchtung so zu steuern, dass das von dem Beleuchtungssystem (70) erzeugte Licht mit unterschiedlichen Winkeln innerhalb eines Winkelbereichs von mindestens arcsin(NA)/10 auf die Oberfläche (78) des Gegenstands (26) trifft, wobei NA die numerische Apertur des telezentrischen Objektivs (42) ist und der Winkelbereich zwischen 70° und 90° liegt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Messkamera und ein Verfahren zur zweidimensionalen Vermessung von Gegenständen. Derartige Messkameras werden als berührungslose Sensoren in der Koordinatenmesstechnik eingesetzt und können beispielsweise an einem Koordinatenmessgerät befestigt werden oder fest in einem Koordinatenmessgerät verbaut sein.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Zur Messung der Geometrie von Werkstücken und anderen Gegenständen werden im Stand der Technik Koordinatenmessgeräte eingesetzt. Solche Messungen finden beispielsweise im Rahmen der Qualitätssicherung oder eines Reverse Engineerings statt. Die teilweise komplexen Messaufgaben werden in aller Regel auf die Messung der räumlichen Koordinaten einer Anzahl von Einzelpunkten reduziert.
Die Koordinatenmessgeräte enthalten einen Sensor, dessen Position relativ zu dem zu vermessenden Werkstück mit Hilfe von Antrieben veränderbar ist. Vor allem bei kleineren Koordinatenmessgeräten befindet sich das Werkstück auf einem Kreuztisch, der entlang zweier horizontaler Koordinatenachsen x, y mit hoher Genauigkeit verfahren werden kann. Der Sensor ist in der Regel an einer Pinole befestigt, die mit ähnlich hoher Genauigkeit vertikal (d.h. in z-Richtung) verfahren werden kann. Wenn besonders große oder schwere Werkstücke vermessen werden sollen, kommen in Portalbauweise ausgeführte Koordinatenmessgeräte zum Einsatz, bei denen das Werkstück ruht und ausschließlich der Sensor verfahren wird.
Bei den Sensoren für Koordinatenmessgeräte unterscheidet man zwischen optischen und taktilen Sensoren. Während bei taktilen Sensoren die Information über die Lage eines Messpunkts durch Berühren des Messpunkts mit einem Antastelement erzeugt wird, wird bei optischen Sensoren die Information über die Lage des Messpunkts durch Licht erfasst. Häufig lassen sich mit den optischen Sensoren die Koordinaten des Werkstücks nur in der Schärfeebene der Sensoren und damit in zwei Dimensionen messen. Wenn sukzessive in mehreren Schärfeebenen gemessen wird, deren Abstand zueinander mit hoher Genauigkeit bekannt ist, kann die Geometrie des Werkstücks - abgesehen von Hinterschneidungen und ähnlichen nicht für den optischen Sensor erkennbaren Strukturen - in drei Dimensionen gemessen werden.
Koordinatenmessgeräte mit optischen Sensoren werden von der Anmelderin z.B. unter der Marke ZEISS O-INSPECT vertrieben und sind in der DE 10 2016 202 928 A1 (entspricht US 2017 / 0 248 768 A1 ) beschrieben.
Aus dem Aufsatz KIM, Jun-Sik ; KANADE, Takeo: Multiaperture telecentric lens for 3D reconstruction. In: Optics Letters, Vol. 36, 2011, No. 7, S. 1050-1052. - ISSN 0146-9592 (P); 1539-4794 (E). DOI: 10.1364/OL.36.001050. sind beidseitig telezentrische Objektive für Messkameras bekannt, bei denen in der Pupillenebene, die häufig auch als Apertur- oder Blendenebene bezeichnet wird, zusätzlich zu einer ersten Blendenöffnung auf der optischen Achse eine zweite außeraxiale Blendenöffnung vorgesehen ist. Auf diese Weise lassen sich Abstandsinformationen zwischen der Kamera und dem Gegenstand bestimmen.
Die Möglichkeit, unterschiedliche Blenden in der Pupillenebene anordnen zu können und damit eine variable Pupillenfilterung zu erzielen, wird auch in anderen Messkameras gelegentlich genutzt. Die unterschiedlichen Blendenelemente sind dabei meist in einer automatischen Austauscheinheit aufgenommen, die z.B. als Revolverhalterung ausgeführt sein kann. Allerdings sind die Austauscheinheiten mechanisch aufwendig, benötigen viel Bauraum und ermöglichen keinen schnellen Wechsel der Lichtverteilung in der Pupillenebene.
Aus der US 2008/0239316 A1 ist eine Messkamera bekannt, die zum Zwecke der Pupillenfilterung ein LCD-Panel verwendet, das in der Pupillenebene angeordnet ist. Solche Panels benötigen nur wenig Bauraum und verfügen über eine Schaltgeschwindigkeit, die meist unter 5 µs liegt. Charakteristisch für LCD-Panels ist, dass das auftreffende Licht polarisiert wird. Dies ist für bestimmte Anwendungen nachteilig und geht außerdem mit Intensitätsverlusten einher, die auf dem Bildsensor zu einem geringeren Signal-Rausch-Verhältnis und damit zu ungenaueren Messergebnissen führen können.
Aus dem Aufsatz SHEPARD, R. Hamilton [u.a.]: Optical design and characterization of an advanced computational imaging system. In: Optics and Photonics for Information Processing VIII : 18-20 August 2014, San Diego, California, United States. Bellingham, Wash. : SPIE, 2014 (Proceedings of SPIE ; 9216). Artikelnummer: 92160A (S. 1-15). - ISBN 978-1-62841-243-7. DOI: 10.1117/12.2060725. ist ein Prüfstand mit einem gleichzeitig pupillen- und zeitcodierten Imager bekannt, der ein DMD (Digital Mirror Device) zum Zwecke der Pupillenapodisierung oder einen deformierbaren Spiegel für Wellenfrontcodierungsexperimente verwendet.
Eine Messkamera mit einem Mikrospiegel-Array, das als Pupillenfilter eingesetzt wird, ist aus der DE 10 2021 118 327 A1 bekannt.
Bei dem aus der US 2006/0007436 A1 bekannten optischen Messsystem wird ein erstes Mikrospiegel-Array eingesetzt, um die Beleuchtungswinkelverteilung flexibel einstellen zu können. Ein zweites Mikrospiegel-Array wird im Beobachtungsstrahlengang als Pupillenfilter eingesetzt.
Die aus der WO 2015/113724 A1 und der WO 2015/159641 A1 bekannten Messsysteme enthalten jeweils ein Mikrospiegel-Array nur im Beleuchtungsstrahlengang.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messkamera zur zweidimensionalen Vermessung von Werkstücken und anderen Gegenständen anzugeben, mit der sich Oberflächen mit unterschiedlichen Eigenschaften optimal vermessen lassen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Messkamera zur zweidimensionalen Vermessung von Gegenständen, die ein objektseitig telezentrisches Objektiv mit einer Pupillenebene, einen zweidimensionalen Bildsensor und ein variables Pupillenfilter hat. Das Pupillenfilter weist ein Mikrospiegel-Array auf, das in der Pupillenebene angeordnet ist und eine Vielzahl von Mikrospiegeln hat, die jeweils in eine erste und in eine zweite stabile Kippstellung überführbar sind. Die Messkamera umfasst ferner ein Beleuchtungssystem, das dazu eingerichtet ist, Licht zu erzeugen und mit Hilfe des Mikrospiegel-Arrays auf den zu vermessenden Gegenstand zu richten. Eine Steuereinrichtung der Messkamera ist dazu eingerichtet, das Mikrospiegel-Array zu steuern. Ein Mikrospiegel, der sich in der ersten Kippstellung befindet, reflektiert Licht, das vom Beleuchtungssystem erzeugt wurde, so, dass es nicht auf den Gegenstand gelangen kann. Licht, das von dem Gegenstand reflektiert wurde, wird hingegen von einem Mikrospiegel in der ersten Kippstellung so reflektiert, dass es auf den Bildsensor gelangen kann. Ein Mikrospiegel, der sich in der zweiten Kippstellung befindet, reflektiert Licht, das vom Beleuchtungssystem erzeugt wurde, so, dass es auf den Gegenstand gelangen kann. Licht hingegen, das von dem Gegenstand reflektiert wurde, wird von einem Mikrospiegel in der zweiten Kippstellung so reflektiert, dass es nicht auf den Bildsensor gelangen kann. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, das Mikrospiegel-Array zur Durchführung einer Aufnahme eines Bildes der Oberfläche des Gegenstands mit koaxialer Dunkelfeldbeleuchtung oder koaxialer Auflichtbeleuchtung so zu steuern, dass das von dem Beleuchtungssystem erzeugte Licht mit unterschiedlichen Winkeln innerhalb eines Winkelbereichs von mindestens arcsin(NA)/10 auf die Oberfläche des Gegenstands trifft, wobei der Winkelbereich zwischen 70° und 90° liegt.
Da das Mikrospiegel-Array sowohl im Strahlengang des zur Beleuchtung verwendeten Lichts als auch im Strahlengang des vom Gegenstand reflektierten Lichts liegt, sind die Beleuchtungswinkelverteilung für das Beleuchtungslicht und die Pupillenfunktion (d.h. die Lichtverteilung in der Pupillenebene) für das reflektierte Licht nicht unabhängig voneinander einstellbar. Wenn beispielsweise der Gegenstand mit achsparallelem Licht beleuchtet werden soll, was eine Ausleuchtung der Pupillenmitte erfordert, so müssen die dort angeordneten Mikrospiegel sich in der zweiten Kippstellung befinden. Es ist dann nicht möglich, das vom Gegenstand reflektierte Licht so in der Pupillenebene zu filtern, dass auch achsparalleles Licht auf den Bildsensor fällt.
Eine exakt achsparallele Beleuchtung ist in der Regel jedoch schon deswegen nicht gewünscht, weil dies zu sehr geringen Intensitäten führen würde.
Die erfindungsgemäße Kopplung der Beleuchtungswinkelverteilung mit der Pupillenfunktion für das reflektierte Licht ermöglicht es aber, sehr einfach und rasch unterschiedliche Beleuchtungsmodi, und zwar insbesondere eine koaxiale Dunkelfeldbeleuchtung oder eine koaxiale Auflichtbeleuchtung, einzustellen. Ähnlich wie in der Mikroskopie lassen sich dann Bilder der Oberfläche erzeugen, bei denen in den aufgenommenen Bildern die abgebildeten Strukturen in unterschiedlicher Weise hervorgehoben oder unterdrückt werden. Da die Mikrospiegel des Pupillenfilters sehr schnell ihre Stellung ändern können, kann die erfindungsgemäße Messkamera in Sekundenbruchteilen von einem Beleuchtungsmodus auf den anderen umstellen. Dadurch lassen sich sehr rasch mehrere Bilder der Oberfläche aufnehmen, die sich durch den eingestellten Beleuchtungsmodus unterscheiden. Für die eigentliche Auswertung, d.h. die Bestimmung der Abmessungen von Strukturen auf der Oberfläche, kann dann z.B. das geeignetste Bild oder- falls unterschiedliche Strukturen in unterschiedlichen Bildern am besten wiedergegeben werden - auch eine Kombination mehrerer Bilder herangezogen werden. Wenn die Messkamera zusätzliche Abstandsinformationen durch Einstellen verschiedener Schärfeebenen erhält, können die Gegenstände nicht nur in zwei, sondern in drei Dimensionen geometrisch vermessen werden.
Eine Dunkelfeldbeleuchtung zeichnet sich dadurch aus, dass keine gerichteten Reflexe, sondern nur Licht zur Bildentstehung beiträgt, das diffus von der beobachteten Oberfläche gestreut oder an Kanten auf der Oberfläche gebeugt wurde. Bei einer Dunkelfeldbeleuchtung wird der beobachtete Gegenstand normalerweise ausschließlich unter flachen Winkeln beleuchtet und für die Abbildung nur der Teil des Lichts genutzt, der in Richtung des Objektivs hin gestreut oder gebeugt wird. Bei einer solchen flachen Beleuchtung trifft Licht, das von der beobachteten Oberfläche gerichtet reflektiert wurde, entweder überhaupt nicht auf das Objektiv, oder es kann von der numerischen Apertur NA des Objektivs nicht aufgenommen werden, weil die Winkel größer sind als arcsin(NA).
Bei der koaxialen Dunkelfeldbeleuchtung wird der beobachtete Gegenstand nicht flach beleuchtet, sondern mit Winkeln, die innerhalb der numerischen Apertur NA des Objektivs liegen. Dann kann allerdings auch Licht, das gerichtet an der Oberfläche reflektiert wurde, wieder in das Objektiv eintreten. Die Kippstellungen der Mikrospiegel stellen in diesem Fall sicher, dass dieses Licht nicht auf den Bildsensor gelangen kann. Eine Dunkelfeldbeleuchtung wird beispielsweise genutzt bei Oberflächen, die sehr stark spiegeln und nur geringe Erhebungen haben. Der gerichtete Reflex würde das Bild überstrahlen; zum Bild trägt im Dunkelfeld nur die Beugung an den Kanten bei.
Die koaxiale Auflichtbeleuchtung ist mit der koaxialen Dunkelfeldbeleuchtung insoweit verwandt, als auch dort der beobachtete Gegenstand ausschließlich mit Winkeln beleuchtet wird, die kleiner sind als arcsin(NA). Zur Bildentstehung trägt aber das gesamte von der Oberfläche reflektierte Licht bei, d.h. sowohl die ungerichteten als auch die gerichteten Anteile. Eine koaxiale Auflichtbeleuchtung kann beispielsweise genutzt werden, um gestufte Sacklöcher vermessen zu können. In diesem Fall muss man mit möglichst kleinen Winkeln beleuchten, um tief in einer Bohrung zu detektierende Kanten ausleuchten zu können.
Damit für die Beleuchtung eine ausreichende Lichtmenge zur Verfügung steht, muss die Zahl der Mikrospiegel, die sich in der zweiten Kippstellung befinden, ausreichend groß sein. Dies führt zu dem Erfordernis, dass das erzeugte Licht nicht ausschließlich senkrecht oder unter einem anderen Winkel auf die Oberfläche trifft, sondern mit unterschiedlichen Winkeln innerhalb eines Winkelbereichs. Es hat sich gezeigt, dass ein Winkelbereich von arcsin(NA))/10 eine ausreichend große Lichtmenge ermöglicht. Damit eine koaxiale Dunkelfeld- oder Auflichtbeleuchtung erzielt wird, muss dieser Winkelbereich zwischen 70° und 90°, vorzugsweise zwischen 80° und 90° liegen und idealerweise den Winkel 90° als Randwert umfassen.
Bei Objektiven mit einer besonders großen numerischer Apertur NA > 0.35 sollte der Winkelbereich entsprechend vergrößert werden. Der untere Grenzwert von 70° ist dann durch (90° - 2*arcsin(NA)) zu ersetzen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Messkamera besteht darin, dass die genannten Beleuchtungsmodi auch dann schnell eingestellt werden können, wenn die Normale der zu vermessenden Oberfläche nicht parallel, sondern unter einem (kleinen) Winkel zur optischen Achse des Objektivs verläuft. Durch Verschieben der Kippstellungs-Verteilung der Mikrospiegel lässt sich die Richtungsverteilung des Beleuchtungslichts annähernd kontinuierlich in gewissen Grenzen verlagern. Dadurch ist es nicht erforderlich, den Gegenstand mit Hilfe eines Kipptisches oder durch Verfahren der Messkamera so auszurichten, dass die Oberflächennormale parallel zur optischen Achse verläuft.
Zur Vermeidung von Missverständnissen wird darauf hingewiesen, dass eine Messkamera bereits dann erfindungsgemäß ist, wenn sie ausschließlich für die Aufnahme eines Bildes mit koaxialer Dunkelfeldbeleuchtung oder ausschließlich für die Aufnahme eines Bildes mit koaxialer Auflichtbeleuchtung ausgelegt ist. Mit anderen Worten muss eine erfindungsgemäße Messkamera nicht beide Beleuchtungsmodi bereitstellen können, auch wenn dies bevorzugt ist.
Die Erfindung nutzt die häufig unerwünschte Eigenschaft kommerziell erhältlicher Mikrospiegel-Arrays, dass die Mikrospiegel keine stabile Kippstellung haben, bei der die Oberflächen der Mikrospiegel alle in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Die in beiden Kippstellungen sägezahnartige Oberflächenstruktur, wie man sie von einem Fresnel-Spiegel kennt, bietet hier für die erfindungsgemäße Messkamera jedoch Vorteile, da aus einer Richtung kommendes Beleuchtungslicht auf den Gegenstand gerichtet und das davon reflektierte Licht dem Bildsensor zugeführt wird, wenn es auf Kippspiegel trifft, die in der anderen Kippposition sind..
Vorzugsweise weist das Beleuchtungssystem eine Lichtquelle und eine Beleuchtungsoptik auf, welche die Lichtquelle auf das Mikrospiegel-Array abbildet. Wenn die Lichtquelle eine Punktlichtquelle ist, wird in der Pupillenebene jedoch nur ein sehr kleiner Bereich ausgeleuchtet, was zu einer stark gerichteten, d.h. axialen, Beleuchtung führt. Bevorzugt ist es deswegen, wenn die Lichtquelle ein Flächenstrahler mit lambertscher Abstrahlcharakteristik ist, damit der zu vermessende Gegenstand gleichmäßig aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet werden kann. Die Abstrahlcharakteristik des Flächenstrahlers sowie die Brennweite der Beleuchtungsoptik sind so zu wählen, dass das Licht, das auf die Oberfläche des Gegenstands auftrifft, zumindest Winkel im gewünschten Winkelbereich von mindestens arcsin(NA)/10 haben kann.
Wenn ein Bild mit koaxialer Dunkelfeldbeleuchtung aufgenommen werden soll, so kann das Mikrospiegel-Array so gesteuert werden, dass sich in einem ersten Bereich in der Pupillenebene alle Mikrospiegel in der zweiten Kippstellung befinden und sich in einem den ersten Bereich umgebenden zweiten Bereich alle Mikrospiegel in der zweiten Kippstellung befinden, wobei der erste Bereich zumindest im Wesentlichen punktsymmetrisch ist. Dadurch ist sichergestellt, dass Licht, das gerichtet von der Oberfläche reflektiert wurde, auf Mikrospiegel fällt, die sich ebenfalls in der zweiten Kippstellung befinden. Dieses Licht gelangt zurück zum Beleuchtungssystem und kann somit nicht zur Entstehung eines Bildes beitragen, wie dies bei einer Dunkelfeldbeleuchtung gewünscht ist.
Ist die zu vermessende Oberfläche senkrecht zur optischen Achse ausgerichtet, sollte der erste Bereich punktsymmetrisch zur optischen Achse sein. Bei geneigten Oberflächen liegt der Symmetriepunkt hingegen außerhalb der optischen Achse.
Wenn der erste Bereich zumindest im Wesentlichen die Form einer Kreisscheibe hat (aufgrund der Unterteilung des Pupillenfilters in einzelne Mikrospiegel lässt sich keine geometrisch exakte Form realisieren), so wird eine zu vermessende Oberfläche gleichmäßig aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet, wobei der maximale Winkel relativ zur Oberfläche durch den Durchmesser der Kreisscheibe festgelegt wird. Ist die Oberfläche geneigt orientiert, ist die Kreisscheibe dezentriert zur optischen Achse anzuordnen. Bei speziell strukturierten Oberflächen kann es zweckmäßig sein, einzelne Beleuchtungsrichtungen auszunehmen oder schwächer zu gewichten. Der erste Bereich kann dann z.B. die Form einer Ellipse oder zweier punktsymmetrisch angeordneter Kreissegmente haben, die sich jeweils z.B. über Winkel zwischen 50° und 170° erstrecken.
Soweit hier und nachfolgend davon die Rede ist, dass „alle“ Mikrospiegel sich in einer bestimmten Kippstellung befinden, so ist dies dahingehend zu verstehen, dass einzelne (z.B. defekte) Mikrospiegel sich auch in der jeweils „falschen“ Kippstellung befinden können, da vereinzelte Fehler in der Beleuchtungswinkelverteilung sich im aufgenommenen Bild nicht bemerkbar machen. Mehr als 2% der jeweiligen Mikrospiegel sollten sich jedoch nicht in der „falschen“ Kippstellung befinden.
Wenn ein Bild mit koaxialer Auflichtbeleuchtung aufgenommen werden soll, so kann das Mikrospiegel-Array so gesteuert werden, dass sich in einem ersten Bereich in der Pupillenebene alle Mikrospiegel in der zweiten Kippstellung befinden und sich in einem den ersten Bereich umgebenden zweiten Bereich alle Mikrospiegel in der zweiten Kippstellung befinden, wobei der erste Bereich nicht punktsymmetrisch ist. Dadurch ist sichergestellt, dass Licht, das gerichtet von der Oberfläche reflektiert wurde, auf Mikrospiegel fällt, die sich in der ersten Kippstellung befinden. Dieses Licht gelangt zum Bildsensor und trägt somit zur Entstehung eines Bildes bei, wie dies bei einer Auflichtbeleuchtung gewünscht ist.
Der erste Bereich kann z.B. die Form eines Kreisscheibensegments haben. Die zu vermessende Oberfläche wird dann mit einem quasi-kontinuierlichen Winkelspektrum aus mehreren Richtungen beleuchtet, wobei der maximale Winkel relativ zur Oberfläche durch den Radius des Kreisscheibensegments festgelegt wird.
Wird das Bild mit einem nicht punktsymmetrischen ersten Bereich aufgenommen, so kann es zu einem unerwünschten Bildversatz kommen, der die Folge der nicht-telezentrischen Beleuchtungswinkelverteilung ist. Deswegen ist es bevorzugt, wenn die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, zur Aufnahme eines Bildes mit koaxialer Auflichtbeleuchtung das Mikrospiegel-Array so anzusteuern, dass unterschiedliche erste Bereiche hintereinander an unterschiedlichen Orten in der Pupillenebene erzeugt werden. Im Idealfall ergänzen sich diese unterschiedlichen ersten Bereiche so, dass während der Aufnahme des Bildes ein punktsymmetrischer Gesamtbereich und dadurch eine telezentrische Beleuchtungswinkelverteilung erhalten werden. Da die Mikrospiegel innerhalb von Sekundenbruchteilen umgestellt werden können, lassen sich selbst bei kurzer Belichtungszeit mehrere unterschiedliche Pupillenfunktionen auch während der Belichtung eines Einzelbildes hintereinander einstellen.
Wenn beispielsweise ein kreisscheibenförmiger Gesamtbereich gewünscht ist, so können hintereinander k unterschiedliche erste Bereiche erzeugt werden, die jeweils die Form von Kreisscheibensegmenten mit einem Winkelbereich von jeweils 360/k° haben. Diese unterschiedlichen ersten Bereiche sind so orientiert, dass sie sich zu einer Vollkreisscheibe addieren.
Um einen kompakten Aufbau zu ermöglichen, ist es in der Regel zweckmäßig, wenn die Messkamera einen im Lichtweg zwischen dem Mikrospiegel-Array und dem Bildsensor angeordneten Umlenkspiegel hat. Dieser ist vorzugsweise plan, kann aber im Prinzip auch abbildende Funktion haben. Mit Blick auf eine günstige Strahlfaltung ohne Abschattungseffekte kann es zweckmäßig sein, wenn die Mikrospiegel in einer Montageebene angeordnet sind, die geneigt zu einer Sensorebene verläuft, in der sich der Bildsensor erstreckt.
Nicht nur im Zusammenhang mit einer koaxialen Auflichtbeleuchtung kann es zweckmäßig sein, wenn die Steuereinrichtung zur Aufnahme des Bildes der Oberfläche des Gegenstands unterschiedliche erste Bereiche hintereinander an unterschiedlichen Orten in der Pupillenebene erzeugt. Die Möglichkeit, sehr schnell unterschiedliche Verteilungen von Kippstellungen der Mikrospiegel zu erzeugen, lässt sich auch nutzen, um Bilder zu erhalten, bei denen mehrere Beleuchtungsarten, z.B. eine koaxiale Auflichtbeleuchtung und eine koaxiale Dunkelfeldbeleuchtung, kombiniert sind. Dabei lässt sich eine in weiten Grenzen beliebige Gewichtung zwischen koaxialer Auflicht- und Dunkelfeldbeleuchtung einstellen.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur zweidimensionalen Vermessung von Gegenständen mit einer Messkamera, die aufweist:

ein objektseitig telezentrisches Objektiv, das eine Pupillenebene hat und eine Oberfläche des Gegenstands auf einen Bildsensor abbildet, und
ein variables Pupillenfilter, das ein Mikrospiegel-Array aufweist, das in der Pupillenebene angeordnet ist und eine Vielzahl von Mikrospiegeln hat, die jeweils in eine erste und in eine zweite stabile Kippstellung überführbar sind,
ein Beleuchtungssystem, das Licht erzeugt und mit Hilfe des Mikrospiegel-Arrays auf den Gegenstand richtet,

ein Mikrospiegel, der sich in der ersten Kippstellung befindet, Licht, das vom Beleuchtungssystem erzeugt wurde, so reflektiert, dass es nicht auf den Gegenstand gelangen kann, und Licht, das von dem Gegenstand reflektiert wurde, so reflektiert, dass es auf den Bildsensor gelangen kann,
ein Mikrospiegel, der sich in der zweiten Kippstellung befindet, Licht, das vom Beleuchtungssystem erzeugt wurde, so reflektiert, dass es auf den Gegenstand gelangen kann, und Licht, das von dem Gegenstand reflektiert wurde, so reflektiert, dass es nicht auf den Bildsensor gelangen kann,

a) es wird Licht erzeugt und mit Hilfe des Mikrospiegel-Arrays auf den Gegenstand gerichtet,
b) zur Durchführung einer Aufnahme eines Bildes mit koaxialer Dunkelfeldbeleuchtung oder koaxialer Auflichtbeleuchtung wird das Mikrospiegel-Array so gesteuert, dass das von dem Beleuchtungssystem erzeugte Licht mit unterschiedlichen Winkeln innerhalb eines Winkelbereichs von mindestens arcsin(NA)/10 auf die Oberfläche trifft hat, wobei der Winkelbereich zwischen 70° und 90° liegt;
c) ein von dem Bildsensor aufgenommenes Bild der Oberfläche des Gegenstands wird gespeichert;
d) auf der Grundlage des gespeicherten Bildes der Oberfläche werden Abmessungen von Strukturen auf der Oberfläche berechnet.

Die eingangs erläuterten vorteilhaften Ausgestaltungen gelten für das Verfahren entsprechend.
Ferner ist Gegenstand der Erfindung ein Computerprogramm umfassend Befehle, die bei Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts mit einer erfindungsgemäßen Messkamera;
2 einen schematischen Meridionalschnitt durch die erfindungsgemäße Messkamera;
3 eine perspektivische Darstellung eines Mikrospiegel-Arrays, das in der Messkamera als variables Pupillenfilter verwendet wird;
4 eine Verteilung von Kippstellungen der Mikrospiegel in der Pupillenebene der Messkamera (oben) und mehrere Strahlengänge von unterschiedlich reflektiertem Licht bei koaxialer Dunkelfeldbeleuchung (unten);
5 in einer an die 4 angelehnten Darstellung eine Verteilung von Kippstellungen der Mikrospiegel in der Pupillenebene der Messkamera (oben) und mehrere Strahlengänge von unterschiedlich reflektiertem Licht bei koaxialer Auflichtbeleuchung (unten);
6a bis 6c Verteilungen von Kippstellungen der Mikrospiegel zu drei unterschiedlichen Zeitpunkten während der Aufnahme eines Bildes bei koaxialer Auflichtbeleuchtung.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1. Aufbau des Koordinatenmessgeräts
Die 1 zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Koordinatenmessgerät.
Das Koordinatenmessgerät 10 umfasst eine Basis 12, die einen Tisch 14 trägt, an dem ein Steuerpult 16 befestigt ist. Vom Tisch 14 ausgehend erstreckt sich nach oben ein Ständer 18, der eine Pinole 20 trägt. Wie ein Pfeil 22 andeutet, ist die Pinole 20 mit Hilfe eines nicht dargestellten Antriebs in vertikaler Richtung (z-Richtung) präzise verfahrbar.
An der Unterseite der Pinole 20 ist ein optischer Sensor 24 befestigt, mit dem ein Bild von einem Werkstück 26 aufgenommen werden kann. Das Werkstück 26 ist auf einem Kreuztisch 28 befestigt, mit dem das Werkstück 26 in der horizontalen Ebene (x-Richtung und y-Richtung) präzise verfahren werden kann, wie dies in der 1 durch Pfeile 30 bzw. 32 angedeutet ist. Auf diese Weise ist es möglich, auch größere Werkstücke 26 sukzessive mit Hilfe des Sensors 24 zu vermessen, indem das Werkstück 26 mit Hilfe des Kreuztisches 28 nach und nach in das Messfeld des Sensors 24 eingeführt wird.
Falls noch größere oder besonders schwere Werkstücke 26 vermessen werden sollen, kann das Koordinatenmessgerät 10 auch einen anderen mechanischen Aufbau haben und beispielsweise anstelle des Kreuztisches 28 ein bewegbares Portal aufweisen, an dem die Pinole 20 befestigt ist. Auf diese Weise lässt sich die Pinole 20 nicht nur entlang der z-Richtung, sondern auch entlang der x-Richtung und y-Richtung präzise verfahren, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist. Das Werkstück 26 muss dann während der Messung nicht bewegt werden.
2. Aufbau des Sensors
Der Sensor 24 enthält eine Messkamera 40, deren optischer Aufbau in der 2 in einem schematischen Meridionalschnitt gezeigt ist.
Die Messkamera 40 hat ein Objektiv 42, das ein erstes Teilobjektiv 44 und ein zweites Teilobjektiv 46 umfasst. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Teilobjektive 44, 46 jeweils nur durch eine einzige Linse repräsentiert. Sie können jedoch auch aus mehr als nur einer Linse bestehen.
Die Brennweiten der beiden Teilobjektive 44, 46 sind in der 2 mit f₁ bzw. f₂ bezeichnet. Die hintere Brennebene des ersten Teilobjektivs 44 fällt mit der vorderen Brennebene des zweiten Teilobjektivs 46 zusammen. Dadurch entsteht ein optischer Aufbau, der als 4f-Optik bezeichnet wird. Eine 4f-Optik ist afokal, so dass paralleles Licht, das in das Objektiv 42 eintritt, das Objektiv 42 wieder als paralleles Licht verlässt. In der 2 sind Randstrahlen der von zwei Objektpunkten ausgehenden Strahlenbündel paarweise parallel.
4f-Optiken sind beidseitig telezentrisch. Dies bedeutet, dass sowohl die Eintrittspupille als auch die Austrittspupille im Unendlichen liegen und die Hauptstrahlen sowohl im Objektraum als auch im Bildraum parallel zur optischen Achse verlaufen. Die objektseitige Telezentrie führt zu der für Messkameras wichtigen Eigenschaft, dass der Abbildungsmaßstab sich bei einer axialen Objektverschiebung nicht ändert. Das Bild des Objekts erscheint also unabhängig vom Objektabstand immer gleich groß, wird aber selbstverständlich unscharf, wenn das Objekt (Werkstück 26) außerhalb der Objektebene 47 angeordnet ist. Bei einer 4f-Optik ist dies die vordere Brennebene des ersten Teilobjektivs 44.
Bei der dargestellten 4f-Optik befindet sich die Pupillenebene 48 des Objektivs 42 an der Schnittstelle zwischen den beiden Teilobjektiven 44, 46, d.h. in der hinteren Brennebene des ersten Teilobjektivs 44 und damit in der vorderen Brennebene des zweiten Teilobjektivs 46. Parallel in das Objektiv 42 eintretende Lichtstrahlen durchtreten die Pupillenebene 48 an einem Punkt, der im Falle von achsparallelen Strahlen auf der optischen Achse liegt. Umgekehrt übersetzen sich unterschiedliche Orte in der Objektebene 47 in unterschiedliche Winkel in der Pupillenebene 48.
In der Pupillenebene 48 des Objektivs 42 ist ein digitales Mikrospiegel-Array 50 angeordnet. Die 3 zeigt das Mikrospiegel-Array 50 in einer perspektivischen Darstellung. In dem vergrößerten Ausschnitt C ist ein einzelner verkippter Mikrospiegel erkennbar und mit 51 bezeichnet. Derartige Mikrospiegel-Arrays sind an sich im Stand der Technik bekannt, so dass auf eine nähere Erläuterung an dieser Stelle verzichtet wird. Geeignet sind beispielsweise Mikrospiegel-Arrays aus der Produktgruppe DLP9000 des Anbieters Texas Instruments®.
Die Mikrospiegel 51 des Mikrospiegel-Arrays 50 haben jeweils zwei stabile Kippstellungen, bei denen die Mikrospiegel 51 entweder um einen Winkel + β oder - β ausgelenkt sind, wobei β typischerweise in der Größenordnung von etwa 12° liegt. Wenn ein Mikrospiegel 51 spannungsfrei ist, beträgt der Kippwinkel β ungefähr 0°. Die Oberfläche des Mikrospiegels 51 verläuft dann annähernd parallel zu einer Montageebene des Mikrospiegel-Arrays. Allerdings ist diese neutrale Kippstellung nicht definiert, weswegen sie üblicherweise bei Anwendungen des Mikrospiegel-Arrays - und so auch in der Messkamera 40 - nicht verwendet wird.
Aus Bauraumgründen und um Abschattungen zu vermeiden, befindet sich im Strahlengang zwischen der Pupillenebene 48 und dem zweiten Teilobjektiv 46 ein planer Umlenkspiegel 52. Je nach den Abmessungen im Einzelfall kann es zweckmäßig sein, wenn die Montageebene des Mikrospiegel-Arrays 50 nicht senkrecht zur Papierebene der 2, sondern in einem von 90° verschiedenen Winkel dazu angeordnet wird. Die Objektebene 47 ist dann gemäß der Scheimpflug-Bedingung ebenfalls verkippt; das zweite Teilobjektiv 46 befindet sich entsprechend außerhalb der Papierebene der 2. Auf diese Weise lässt sich eine Strahlabschattung wirkungsvoll vermeiden.
In einer Bildebene 54 des Objektivs 42 ist ein zweidimensionaler Bildsensor 56 angeordnet, bei dem es sich beispielsweise um einen CCD- oder CMOS-Bildsensor handeln kann.
Das Mikrospiegel-Array 50 und der Bildsensor 56 werden von einer Steuereinrichtung 58 gesteuert. Mit dem Bildsensor 56 ist außerdem eine Auswerteeinrichtung 60 verbunden, welche die von dem Bildsensor 56 aufgenommenen Bilder des Werkstücks 26 auswertet.
Die Messkamera 40 enthält ferner ein Beleuchtungssystem 70, mit dem sich das Werkstück 26 beleuchten lässt. Die optische Achse 72 des Beleuchtungssystems 70 ist dabei so angeordnet, dass ein Mikrospiegel 51, der sich in der zweiten Kippstellung befindet, das vom Beleuchtungssystem 70 erzeugte Licht auf das Werkstück 26 richtet.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Beleuchtungssystem zwei durch Linsen angedeutete Teilsysteme 73, 75, die identische oder annähernd identische Brennweiten f₃ bzw. f₄ haben. Auf diese Weise lässt sich eine Köhlersche Beleuchtung realisieren, bei der eine Lichtquelle 74 über die Teilsysteme 73, 75 in die Pupillenebene 48 und damit auf das Mikrospiegel-Array 50 abgebildet wird.
Wenn die Lichtquelle 74 als Punktlichtquelle ausgebildet ist, wie dies in der 2 angedeutet ist, so wird aufgrund der Abbildung nur ein kleiner axialer Bereich der Pupillenebene 48 ausgeleuchtet, was zu einer stark gerichteten Beleuchtung des Werkstücks 26 führt. Soll das zur Beleuchtung verwendete Licht eine breitere Winkelverteilung haben, kann anstelle einer Punktlichtquelle ein Flächenstrahler mit lambertscher Abstrahlcharakteristik verwendet werden. Dessen Abmessungen, die Brennweiten f₃ und f₄, die Feldgröße und die numerische Apertur der Teilsysteme 73, 75 werden vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass das Bild der Abstrahlfläche annähernd den in der Regel quadratischen Abmessungen des Mikrospiegel-Arrays 50 entspricht.
3. Ansteuerung der Mikrospiegel
Die mit dem Mikrospiegel-Array 50 erzeugbare Filterfunktion ist digital, d.h. es gibt nur zwei stabile Kippstellungen. Befindet sich ein Mikrospiegel 51 in einer ersten Kippstellung, wird Licht, das von dem Werkstück 26 reflektiert wurde, so von dem Mikrospiegel 51 reflektiert, dass es auf den Bildsensor 56 gelangen und dadurch zur Abbildung beitragen kann. Die erste Kippstellung wird deswegen im Folgenden auch als „Sensorstellung“ bezeichnet. Ein Mikrospiegel 51, der sich in der Sensorstellung befindet, kann jedoch kein vom Beleuchtungssystem 70 erzeugtes Licht auf das Werkstück 26 richten.
Dies ist nur möglich, wenn sich der Mikrospiegel 51 in der zweiten stabilen Kippstellung befindet. Die zweite Kippstellung wird daher im Folgenden kurz als „Beleuchtungsstellung“ bezeichnet. In dieser wird jedoch Licht, das von dem Werkstück 26 reflektiert wurde, so reflektiert, dass es nicht auf den Bildsensor 56 gelangen kann.
Das Beleuchtungssystem 70 ermöglicht es der Messkamera 40, nicht nur Bilder des Werkstücks 26 aufzunehmen, sondern dieses mit unterschiedlichen Beleuchtungswinkelverteilungen zu beleuchten. Zur Änderung der Beleuchtungswinkelverteilung muss lediglich die Verteilung der Kippstellungen der Mikrospiegel 51 verändert werden. Da der Beleuchtungsstrahlengang von der Lichtquelle 74 zum Werkstück 26 und der Abbildungsstrahlengang vom Werkstück 26 zum Bildsensor 56 die gleiche Pupillenebene 48 nutzen, kann die Pupillenfunktion für den Abbildungsstrahlengang nicht unabhängig von der Beleuchtungswinkelverteilung festgelegt werden. So ist es beispielsweise nicht möglich, das Werkstück 26 mit achsparallelem Licht zu beleuchten und gleichzeitig Licht mit dem Bildsensor 56 zu erfassen, das von einer senkrecht zur optischen Achse ausgerichteten Oberfläche gerichtet und somit ebenfalls achsparallel reflektiert wurde.
Wenn nur im Wesentlichen achsparalleles Licht zur Bilderzeugung auf den Bildsensor 56 verwendet werden soll und sich deswegen nur die Mikrospiegel 51 in der Nähe der optischen Achse 62 in der Sensorstellung befinden, bedeutet dies zwangsläufig, dass sich alle anderen Mikrospiegel 51 in der Beleuchtungsstellung befinden und somit das Werkstück 26 mit einem weiten Beleuchtungswinkelbereich beleuchtet wird, bei dem allerdings achsparallele Beleuchtungsstrahlen fehlen.
Soll für ein anderes Bild nur Licht auf den Bildsensor 56 gelangen, das unter einem bestimmten Winkel zur optischen Achse 62 des Werkstücks 26 verlässt, steuert die Steuereinrichtung 58 das Mikrospiegel-Array 50 so an, dass Mikrospiegel 51, die in einem zur optischen Achse 62 koaxialen ringförmigen Bereich der Pupillenebene 48 liegen, sich in der Beleuchtungsstellung und alle übrigen Mikrospiegel 51 in der Sensorstellung befinden. Der Radius des ringförmigen Bereichs hängt dabei von dem gewünschten Beleuchtungswinkel ab.
Das variable digitale Pupillenfilter in Form des Mikrospiegel-Arrays 50 benötigt nicht nur wenig Bauraum, sondern ist mit rund 10.000 Schaltvorgängen pro Sekunde auch extrem schnell. Dadurch lassen sich praktisch instantan umfangreiche Bildsequenzen erzeugen, die mit unterschiedlichen Pupillenfilterungen aufgenommen wurden. Selbst innerhalb der Belichtungszeit für ein einzelnes Bild ist es möglich, die Beleuchtung zu verändern. Aufgrund der hohen Auflösung von rund 4 Millionen Pixeln lässt sich die Filterfunktion des Pupillenfilters außerdem sehr genau einstellen. Da die Reflektivität der Mikrospiegel 51 bei fast 90% liegt und der Füllfaktor über 90% liegt, sind die optischen Verluste erheblich geringer, als dies bei LCD-Panels mit ihren Polarisationsfiltern der Fall ist.
4. Koaxiale Dunkelfeldbeleuchtung
Die 4 zeigt oben eine Verteilung der Kippstellungen des Mikrospiegel-Arrays 50 der Messkamera 40, wie sie für Aufnahmen mit einer koaxialen Dunkelfeldbeleuchtung verwendet werden kann. Unten ist schematisch und nicht maßstäblich der Abbildungsstrahlengang zwischen dem Werkstück 26 und dem Bildsensor 56 und der Beleuchtungsstrahlengang zwischen der Lichtquelle 74 und dem Werkstück 26 dargestellt. Die beiden Strahlengänge nutzen gemeinsam das Mikrospiegel-Array 50 sowie das erste Teilobjektiv 44.
Bei der in der 4 gezeigten Verteilung der Kippstellungen befinden sich in einem ersten Bereich IL in der Pupillenebene 48 alle Mikrospiegel 51 in der zweiten Kippstellung (Beleuchtungsstellung). Der erste Bereich IL ist punktsymmetrisch und hat im dargestellten Ausführungsbeispiel die Form einer Kreisscheibe.
Alle übrigen Mikrospiegel 51 des Mikrospiegel-Arrays 50 befinden sich in der ersten Kippstellung (Sensorstellung). Dazu gehören auch diejenigen Mikrospiegel, die sich in einem den ersten Bereich IL umgebenden zweiten Bereich IM befinden, der im dargestellten Ausführungsbeispiel die Form eines Kreisrings hat. Auf die Mikrospiegel 51 außerhalb des zweiten Bereichs IM trifft bei diesem Ausführungsbeispiel kein von der Lichtquelle 74 erzeugtes Licht, da hier unterstellt wird, dass sich das Bild der Lichtquelle 74 nur über die beiden Bereiche IL und IM erstreckt.
Unten in der 4 sind mit durchgezogenen und mit gestrichelten Linien zwei Strahlengänge angedeutet. Diese beiden Strahlengänge repräsentieren Lichtstrahlen, die ausgehend von der Lichtquelle 74 auf den zweiten Bereich IM treffen, dort in Richtung der senkrecht zur optischen Achse 62 ausgerichteten Oberfläche 78 abgelenkt und an der Oberfläche 78 gerichtet reflektiert werden. Für diese Lichtstrahlen gilt somit das Reflexionsgesetz, wonach der Ausfallswinkel gleich dem Einfallswinkel ist. Nach der Reflexion an der Oberfläche 78 und dem erneuten Durchtritt durch das Teilobjektiv 44 wird das Licht von den Mikrospiegeln 51 im ersten Bereich IL so abgelenkt, dass es wieder zurück zur Lichtquelle 74 gelangt. Dieses gerichtet vom Werkstück 26 reflektierte Licht trägt somit nicht zur Abbildung der Oberfläche 78 auf den Bildsensor 56 bei. Doppelt strichpunktierte Lichtstrahlen, die von der Lichtquelle 74 kommen und außerhalb des Bereichs IM auf das Mikrospiegelarray 50 fallen, treffen die Rückseiten der sich in der Sensorstellung befindenden Mikrospiegel 51 oder werden von diesen unter so flachem Winkel abgelenkt, dass sie ebenfalls nicht zur Abbildung der Oberfläche 78 beitragen.
Anhand des mit gepunkteten Linien angedeuteten Strahlengangs ist erkennbar, dass nur Licht, das ungerichtet (d.h. diffus) von der Oberfläche 78 reflektiert wird, auf die sich in der Sensorstellung befindenden Mikrospiegel 51 im zweiten Bereich IM gelangt. Nur dieses ungerichtet reflektierte Licht leistet somit einen Beitrag zur Entstehung eines Bildes auf dem Bildsensor 56. Auf diese Weise wird eine koaxiale Dunkelfeldbeleuchtung erzielt.
Falls die Oberfläche 78 des Werkstücks 26 geneigt angeordnet ist, d.h. eine Oberflächennormale hat, die nicht parallel zur optischen Achse 62 verläuft, so muss der erste Bereich IL um einen vom Neigungswinkel abhängenden Betrag in der Pupillenebene 48 verschoben werden, wie dies oben in der 4 mit einem gestrichelten Kreis IL' angedeutet ist. Dadurch wird das vom Beleuchtungssystem 70 erzeugte Licht so schräg zur optischen Achse auf das Werkstück 26 gerichtet, dass die Hauptstrahlrichtung senkrecht zur geneigten Oberfläche 78 verläuft und dadurch eine koaxiale Beleuchtung erzielt wird. Der Begriff „koaxiale Beleuchtung“ bedeutet dann nicht im Wesentlichen achsparallel, sondern senkrecht zur Oberfläche.
In der 5 sind nur ausgewählte Aperturstrahlen eingezeichnet. Das von dem Beleuchtungssystem 70 erzeugte Licht trifft im dargestellten Ausführungsbeispiel mit unterschiedlichen Winkeln α auf die Oberfläche 78. Die Winkel α liegen zwischen 70° und 90°, so dass ein Winkelbereich von insgesamt 20° überdeckt wird.
5. Koaxiale Auflichtbeleuchtung
Die 5 illustriert in einer an die 4 angelehnten Darstellung eine andere Verteilung der Kippstellungen des Mikrospiegel-Arrays 50 der Messkamera 40, wie sie für Aufnahmen mit einer koaxialen Auflichtbeleuchtung verwendet werden kann. Unten ist wieder schematisch der Abbildungsstrahlengang zwischen dem Werkstück 26 und dem Bildsensor 56 und der Beleuchtungsstrahlengang zwischen der Lichtquelle 74 und dem Werkstück 26 dargestellt.
Bei der in der 5 gezeigten Verteilung der Kippstellungen befinden sich in einem ersten Bereich IL in der Pupillenebene 48 alle Mikrospiegel 51 in der zweiten Kippstellung (Beleuchtungsstellung). Der erste Bereich IL ist nicht punktsymmetrisch und hat im dargestellten Ausführungsbeispiel die Form einer halben Kreisscheibe.
Alle übrigen Mikrospiegel 51 des Mikrospiegel-Arrays 50 befinden sich in der ersten Kippstellung (Sensorstellung). Dazu gehören auch diejenigen Mikrospiegel, die sich in einem den ersten Bereich IL umgebenden zweiten Bereich IM befinden.
Unten in der 5 sind mit durchgezogenen und mit gestrichelten Linien Strahlengänge angedeutet. Diese repräsentieren Lichtstrahlen, die ausgehend von der Lichtquelle 74 auf die senkrecht zur optischen Achse 62 ausgerichtete Oberfläche 78 treffen und dort gerichtet reflektiert werden. Nur Licht, das exakt senkrecht auf die Oberfläche 78 trifft, wird in sich reflektiert und trägt nicht zur Abbildung bei. Bei allen anderen Einfallswinkeln jedoch erfolgt gemäß dem Reflexionsgesetz eine Punktspiegelung an der Pupillenmitte. Da der erste Bereich IL nicht punktsymmetrisch ist, trifft das gerichtet reflektierte Licht stets auf Mikrospiegel, die sich im zweiten Bereich IM und dadurch in der Sensorstellung befinden. Auch ungerichtet reflektiertes Licht, das in der 5 mit einer gepunkteten Linie angedeutet ist, trifft überwiegend auf den zweiten Bereich IM und trägt zur Abbildung bei. Auf diese Weise wird eine koaxiale Auflichtbeleuchtung erzielt.
Falls die Oberfläche 78 des Werkstücks 26 geneigt angeordnet ist, d.h. eine Oberflächennormale hat, die nicht parallel zur optischen Achse 62 verläuft, kann auch hier der erste Bereich IL entsprechend in der Pupillenebene 48 verschoben werden.
Wegen des nicht punktsymmetrischen ersten Bereichs IL kann es zu einem unerwünschten Bildversatz kommen, der die Folge der nicht-telezentrischen Beleuchtungswinkelverteilung ist. Deswegen werden bevorzugt n unterschiedliche erste Bereiche IL1 bis ILn hintereinander an unterschiedlichen Orten in der Pupillenebene erzeugt, und zwar so, dass sich diese unterschiedlichen ersten Bereiche während der Aufnahme des Bildes zu einem punktsymmetrischen Gesamtbereich ergänzen. Auf diese Weise wird das Werkstück 26 im zeitlichen Mittel mit einer telezentrischen Beleuchtungswinkelverteilung beleuchtet.
Dieses Vorgehen illustrieren die 6a bis 6c. Während eines ersten Zeitintervalls t₁ im Verlauf der Belichtung des Bildsensors 56 hat der erste Bereich IL1, in dem sich alle Mikrospiegel 51 in der Beleuchtungsstellung befinden, die Form eines Kreisscheibensegments, das sich über einen Winkelbereich von 360°/3 = 120° erstreckt und die in der 6a gezeigte Orientierung hat. Während eines sich daran anschließenden zweiten Zeitintervalls t₂ gleicher Länge hat der erste Bereich IL2 ebenfalls die Form eines Kreisscheibensegments mit gleichem Winkelbereich, ist aber um 120° gedreht, vgl. 6b. Während eines dritten Zeitintervalls t₃ gleicher Länge hat der erste Bereich IL3 erneut die gleiche Form, ist aber um weitere 120° gedreht, vgl. 6c. Über die drei Zeitintervalle t₁, t₂ und t₃ hinweg ergänzen sich die ersten Bereiche IL1, IL2 und IL3 zu einer Vollkreisscheibe mit der Folge, dass im zeitlichen Mittel eine telezentrische Beleuchtung erzielt und ein unerwünschter Bildversatz vermieden wird.

Claims

Messkamera (40) zur zweidimensionalen Vermessung von Gegenständen (26), mit einem objektseitig telezentrischen Objektiv (42), das eine Pupillenebene (48) hat, einem zweidimensionalen Bildsensor (56), einem variablen Pupillenfilter, das ein Mikrospiegel-Array (50) aufweist, das in der Pupillenebene (48) angeordnet ist und eine Vielzahl von Mikrospiegeln (51) hat, die jeweils in eine erste und in eine zweite stabile Kippstellung überführbar sind, einem Beleuchtungssystem (70), das dazu eingerichtet ist, Licht zu erzeugen und mit Hilfe des Mikrospiegel-Arrays (50) auf den Gegenstand (26) zu richten, eine Steuereinrichtung (58), die dazu eingerichtet ist, das Mikrospiegel-Array (50) zu steuern, wobei ein Mikrospiegel (51), der sich in der ersten Kippstellung befindet, Licht, das vom Beleuchtungssystem (70) erzeugt wurde, so reflektiert, dass es nicht auf den Gegenstand (26) gelangen kann, und Licht, das von dem Gegenstand (26) reflektiert wurde, so reflektiert, dass es auf den Bildsensor (56) gelangen kann, ein Mikrospiegel (51), der sich in der zweiten Kippstellung befindet, Licht, das vom Beleuchtungssystem (70) erzeugt wurde, so reflektiert, dass es auf den Gegenstand (26) gelangen kann, und Licht, das von dem Gegenstand (26) reflektiert wurde, so reflektiert, dass es nicht auf den Bildsensor (56) gelangen kann, und wobei die Steuereinrichtung (58) dazu eingerichtet ist, das Mikrospiegel-Array (50) zur Durchführung einer Aufnahme eines Bildes einer Oberfläche (78) des Gegenstands (26) mit koaxialer Dunkelfeldbeleuchtung oder koaxialer Auflichtbeleuchtung so zu steuern, dass das von dem Beleuchtungssystem (70) erzeugte Licht mit unterschiedlichen Winkeln innerhalb eines Winkelbereichs von mindestens arcsin(NA)/10 auf die Oberfläche (78) des Gegenstands (26) trifft, wobei NA die numerische Apertur des telezentrischen Objektivs (42) ist und der Winkelbereich zwischen 70° und 90° liegt.
Messkamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (58) dazu eingerichtet ist, zur Aufnahme eines Bildes mit koaxialer Dunkelfeldbeleuchtung das Mikrospiegel-Array (50) so zu steuern, dass sich in einem ersten Bereich (IL) in der Pupillenebene (48) alle Mikrospiegel (51) in der zweiten Kippstellung befinden und sich in einem den ersten Bereich (IL) umgebenden zweiten Bereich (IM) alle Mikrospiegel (51) in der zweiten Kippstellung befinden, und dass der erste Bereich (IL) zumindest im Wesentlichen punktsymmetrisch ist.
Messkamera nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (IL) punktsymmetrisch zur optischen Achse ist, wenn die Oberfläche (78) senkrecht zur optischen Achse (62) ausgerichtet ist.
Messkamera nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (IL) zumindest im Wesentlichen die Form einer Kreisscheibe hat.
Messkamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (58) dazu eingerichtet ist, zur Aufnahme eines Bildes mit koaxialer Auflichtbeleuchtung das Mikrospiegel-Array (50) so anzusteuern, dass sich in einem ersten Bereich (IL) in der Pupillenebene (48) alle Mikrospiegel (51) in der zweiten Kippstellung befinden und sich in einem den ersten Bereich (IL) umgebenden zweiten Bereich (IM) alle Mikrospiegel (51) in der zweiten Kippstellung befinden, und dass der erste Bereich (IL) nicht punktsymmetrisch ist.
Messkamera nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (IL) die Form eines Kreisscheibensegments hat.
Messkamera nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (58) dazu eingerichtet ist, zur Aufnahme eines Bildes mit koaxialer Auflichtbeleuchtung das Mikrospiegel-Array (50) so anzusteuern, dass unterschiedliche erste Bereiche (IL1, IL2, IL3) hintereinander an unterschiedlichen Orten in der Pupillenebene (48) erzeugt werden.
Messkamera nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass hintereinander k unterschiedliche erste Bereiche (IL1, IL2, IL3) erzeugt werden, die jeweils die Form von Kreisscheibensegmenten mit einem Winkelbereich von jeweils 360/k° haben, und dass die unterschiedlichen ersten Bereiche (IL1, IL2, IL3) so orientiert sind, dass sie sich zu einer Vollkreisscheibe addieren.
Messkamera nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkamera (40) einen im Lichtweg zwischen dem Mikrospiegel-Array (50) und dem Bildsensor (56) angeordneten Umlenkspiegel (52) hat, und dass die Mikrospiegel (51) in einer Montageebene angeordnet sind, die geneigt zu einer Sensorebene (54) verläuft, in der sich der Bildsensor (56) erstreckt.
Messkamera nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, zur Aufnahme des Bildes der Oberfläche (78) des Gegenstands (26) unterschiedliche erste Bereiche (IL) hintereinander an unterschiedlichen Orten in der Pupillenebene (48) zu erzeugen.
Verfahren zur zweidimensionalen Vermessung von Gegenständen (26) mit einer Messkamera, die aufweist: ein objektseitig telezentrisches Objektiv (42), das eine Pupillenebene (48) hat und eine Oberfläche (78) des Gegenstands auf einen Bildsensor (56) abbildet, und ein variables Pupillenfilter, das ein Mikrospiegel-Array (50) aufweist, das in der Pupillenebene (48) angeordnet ist und eine Vielzahl von Mikrospiegeln (51) hat, die jeweils in eine erste und in eine zweite stabile Kippstellung überführbar sind, ein Beleuchtungssystem (70), das Licht erzeugt und mit Hilfe des Mikrospiegel-Arrays (50) auf den Gegenstand (26) richtet, wobei ein Mikrospiegel (51), der sich in der ersten Kippstellung befindet, Licht, das vom Beleuchtungssystem (70) erzeugt wurde, so reflektiert, dass es nicht auf den Gegenstand (26) gelangen kann, und Licht, das von dem Gegenstand (26) reflektiert wurde, so reflektiert, dass es auf den Bildsensor (56) gelangen kann, ein Mikrospiegel (51), der sich in der zweiten Kippstellung befindet, Licht, das vom Beleuchtungssystem (70) erzeugt wurde, so reflektiert, dass es auf den Gegenstand (26) gelangen kann, und Licht, das von dem Gegenstand (26) reflektiert wurde, so reflektiert, dass es nicht auf den Bildsensor (56) gelangen kann, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: e) es wird Licht erzeugt und mit Hilfe des Mikrospiegel-Arrays (50) auf den Gegenstand (26) gerichtet, f) zur Durchführung einer Aufnahme eines Bildes mit koaxialer Dunkelfeldbeleuchtung oder koaxialer Auflichtbeleuchtung wird das Mikrospiegel-Array (50) so gesteuert, dass das von dem Beleuchtungssystem (70) erzeugte Licht mit unterschiedlichen Winkeln innerhalb eines Winkelbereichs von mindestens arcsin(NA)/10 auf die Oberfläche trifft, wobei NA die numerische Apertur des telezentrischen Objektivs (42) ist und der Winkelbereich zwischen 70° und 90° liegt; g) ein von dem Bildsensor (56) aufgenommenes Bild der Oberfläche (78) des Gegenstands (26) wird gespeichert; h) auf der Grundlage des gespeicherten Bildes der Oberfläche (78) werden Abmessungen von Strukturen auf der Oberfläche (78) berechnet.
Computerprogramm umfassend Befehle, die bei Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach Anspruch 11 durchzuführen.