DE10321896A1

DE10321896A1 - Optischer Sensor und Verfahren mittels Triangulation, insbesondere zur chromatischen Objekt-Tiefenabtastung

Info

Publication number: DE10321896A1
Application number: DE2003121896
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Körner
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2003-05-07
Filing date: 2003-05-07
Publication date: 2004-12-09

Abstract

Optischer Sensor und Verfahren mittels Triangulation, insbesondere zur chromatischen Objekt-Tiefenabtastung, bei dem in der Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges und in der Pupille des Beobachtungsstrahlenganges ein brechkraftvariables, abbildendes System angeordnet ist, wobei im Sensor die Pupillenebene mit der Brennerebene eines Prüfobjektivs koinzidiert. Das brechkraftvariable, abbildende System ist in der Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges dezentriert und in der Pupille des Beobachtungsstrahlenganges zentriert. Es dient dazu, Bilder des Sendemuster-Arrays in Abhängigkeit von der Brechkraft des Systems in verschiedenen lateralen Lagen und/oder in verschiedenen Tiefen des Objektraumes zu erzeugen. Beispsielsweise können mit einem äquidistanten Liniengitter drei phasenverschobene Signale, die für eine Phasenauswertung benötigt werden, aus einem einzigen Bild einer Farbkamera gewonnen werden. Die Signale für das Tiefenprofil in einem Schnitt werden bei linienhafter Beleuchtung der Objektoberfläche durch eine spektrometrische Aufspaltung im Bildraum auf eine Graubildkamera gewonnen.

Description

Die Durchfokussierung spielt bei der Streifentriangulation zur Erfassung der dreidimensionalen Topografie besonders in der mikroskopischen Skala eine funktionstragende Rolle. Bei einem Stereomikroskop, welches als dreidimensional messendes Streifentriangulations-System verwendet wird, sind sowohl der Hauptstrahl der Beleuchtung als auch der Hauptstrahl der Beobachtung zur Messebene geneigt. Wird eine Durchfokussierung des Objektraumes durch Verschieben des gesamten Mikroskops in der Tiefe vorgenommen, wie es in DE 100 56 073 A1 beschrieben wurde, muss die auftretende Bildverschiebung numerisch kompensiert werden. Für Objektive mit vergleichsweise großen Brennweiten ergibt sich zwischen der Größe des Tiefen-Scans und der dabei auftretenden lateralen Bildverschiebung jedoch eine eher ungünstige Relation, so dass dieser Ansatz die Messgenauigkeit merklich beeinträchtigen kann.

Es sind bisher offenbar noch keine Ansätze bekannt geworden, das Problem der Durchfokussierung bei der mikroskopischen oder makroskopischen Streifentriangulation ohne mechanisch bewegte Teile zu lösen.

Beschreibung der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in einem kostengünstigen, robusten, tiefenmessenden, phasenauswertenden Triangulations-Verfahren und Triangulations-Sensor zur hochdynamischen Bestimmung des Abstandes, der 3D-Gestalt und insbesondere des 3D-Mikroprofils von Messobjekten, die im Messvorgang gegebenenfalls auch etwas bewegt werden können. Darüber hinaus können in einem zu analysierenden, mikroskopisch kleinem Objektvolumen mittels Triangulations-Sensor aber auch dreidimensionale Transparenz- oder Reflexionsprofile des Objektes ermittelt werden. Bei einem makroskopischen Probenvolumen besteht das Ziel, die 3D-Form hochdynamisch und genau zu erfassen. Damit stellt sich die Aufgabe, die Fokussierung im Objektraum und gegebenenfalls auch die Phasenstellung oder auch die laterale Verschiebung des Bildes eines Sendemuster-Arrays im Objektraum so zu gestalten, dass dies die Dynamik der Messanordnung nicht begrenzt. Für die 3D-Messung mit Durchfokussierung besteht weiterhin die Aufgabe, für alle Tiefen im Objektraum einen zumindest näherungsweise konstanten Abbildungsmaßstab zu realisieren.

Bekannterweise stellt die Stellung der Phase bei den mikroskopischen und makroskopischen Streifentriangulations-Verfahren für eine Vielzahl von Messaufgaben die Basis für eine effiziente Auswertung dar. Die Phasenstellung soll erfindungsgemäß beim Streifentriangulations-Verfahren keine zeitliche Limitierung des Verfahrens darstellen.

Zu 1. Bei einer Triangulationsanordnung, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich mit einem Beleuchtungsstrahlengang mit mindestens einer Pupille und einem Beobachtungsstrahlengang mit einer zumindest teilweise separaten Pupille und mindestens einer Lichtquelle, einem Sendemuster-Array und mindestens einer Kamera wird zumindest näherungsweise die Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges in einer Brennebene des Beleuchtungsstrahlenganges angeordnet. So besteht zumindest näherungsweise in einem Teil des Beleuchtungsstrahlenganges Telezentrie beispielsweise im Array-Raum. Erfindungsgemäß ist in der Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges mindestens ein brechkraftvariables, abbildendes System angeordnet, welches in der Pupille dezentriert ist. Das brechkraftvariable, abbildende System kann transmissiv oder reflexiv ausgebildet sein.

Zu 2. Es ist aber auch möglich, dass bei einer Triangulationsanordnung, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich mit einem Beleuchtungsstrahlengang mit mindestens einer Pupille und einem Beobachtungsstrahlengang mit einer zumindest teilweise separaten Pupille und mindestens einer Lichtquelle, einem Sendemuster-Array und mindestens einer Kamera zumindest näherungsweise die Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges in einer Brennebene des Beleuchtungsstrahlenganges angeordnet ist, so dass zumindest näherungsweise in einem Teil desselben Telezentrie besteht. Dabei ist erfindungsgemäß in der Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges mindestens ein brechkraftvariables, lichtablenkendes System angeordnet. Dieses dient dazu, Bilder des Sendemuster-Arrays, beispielsweise ein äquidistantes Liniengitter oder ein Liniengitter mit einer zufallsverteilten Variation der Stegbreiten, in Abhängigkeit von der Brechkraft des brechkraftvariablen, abbildenden Systems in verschiedenen lateralen Lagen zu erzeugen, die beispielsweise bei einer chromatischen Abhängigkeit gleichzeitig in verschiedenen Farben auf der Objektoberfläche entstehen. Bei einem äquidistanten Liniengitter können so die Signale, die für eine Phasenauswertung benötigt werden, gewonnen werden. Bei einem Liniengitter mit einer zufallsverteilten Variation der Stegbreiten können so die Signale zur Durchführung einer Kreuzkorrelation mit gespeicherten Signalverläufen zur Bestimmung der absoluten Tiefenposition eines jeden Objektpunktes durchgeführt werden. Das brechkraftvariable, lichtablenkende System kann transmissiv oder reflexiv ausgebildet sein.

Zu 3. Weiterhin fällt bei der Triangulationsanordnung vorzugsweise der Hauptpunkt des brechkraftvariablen, abbildenden Systems mit dem Pupillenzentrum PZD des Beobachtungsstrahlenganges zusammen. Dabei fällt auch eine Brennebene des Beobachtungsstrahlenganges mit der Pupillenfläche desselben zusammen. So besteht zumindest näherungsweise in einem Teil desselben Telezentrie. Vom brechkraftvariablen, abbildenden System überdecken zumindest Ausschnitte desselben sowohl die Pupillenfläche des Beleuchtungsstrahlenganges als auch die Pupillenfläche des Beobachtungsstrahlenganges. Durch die Koinzidenz des Hauptpunktes H des brechkraftvariablen, abbildenden Systems mit dem Pupillenzentrum PZD des Beobachtungsstrahlenganges bleibt der Hauptstrahl, der zum Lichtbündel eines abgebildeten Objektpunktes gehört, auch bei Veränderung der Brechkraft in seiner Ausbreitungsrichtung unverändert, obwohl dabei eine Fokussierung des Lichtbündels erfolgt. So wird eine Verschmierung bei der Abbildung des Objektpunktes verhindert. Damit das Übersprechen des Lichtes von benachbarten Objektpunkten reduziert wird, sollte die Fläche der Beobachtungspupille grundsätzlich etwas kleiner als die Fläche der Beleuchtungspupille sein. Beispielsweise kann die Beobachtungspupille dabei nur den halben Durchmesser aufweisen wie die Beleuchtungspupille. Wird eine Durchfokussierung durch Verschieben des gesamten Mikroskops vorgenommen, wie es bereits in DE 100 56 073 A1 beschrieben wurde, so entsteht eine laterale Bildverschiebung auf dem Kamera-Chip. Dieser optische Effekt tritt jedoch nicht auf, wenn erfindungsgemäß die Symmetrieachse des brechkraftvariablen Abbildungssystems das Pupillenzentrum PZD im Beobachtungsstrahlengang durchstößt und die Durchfokussierung mittels brechkraftvariablem Abbildungssystem erfolgt.

Zu 4. Weiterhin fallen bei der Triangulationsanordnung vorzugsweise die Pupillenflächen von Beleuchtungs- als auch Beobachtungsstrahlengang mit einer gemeinsamen Brennebene von Beleuchtungs- als auch Beobachtungsstrahlengang zusammen, und es ist in der Triangulationsanordnung dem Objekt ein gemeinsam für die Beleuchtung und die Beobachtung verwendetes Prüfobjektiv vorgeordnet. So kann ein mikroskopisch kleines Objekt in einem vergleichsweise kleinen Arbeitsabstand mit einer kompakten Anordnung beleuchtet und beobachtet werden. Außerdem besteht zumindest näherungsweise im Objektraum Telezentrie. Dies ist für die Vermessung von Objekten in einer größeren Tiefe ein großer Vorteil für die Messgenauigkeit.

Zu 5. Weiterhin ist bei der Triangulationsanordnung vorzugsweise das brechkraftvariable, abbildende System chromatisch ausgebildet, so dass dessen Brechkraft eine Abhängige der Wellenlänge des Lichtes ist. Zur Ausnutzung dieser Eigenschaft für die Messung ist deshalb der Triangulationsanordnung vorzugsweise eine Lichtquelle mit einer Spektralverteilung, die mindestens drei getrennte Spektralbereiche aufweist, zugeordnet. Es ist aber auch möglich, dass eine Weißlichtquelle eingesetzt wird, um zur Erhöhung der Tiefenauflösung mehr als drei Spektralbereiche auswerten zu können.

Zu 6. Weiterhin ist bei der Triangulationsanordnung vorzugsweise das brechkraftvariable, abbildende System mit mindestens einer diffraktiv wirkenden optischen Komponente ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders hohe Veränderung der Brechkraft über der Wellenlänge, also eine starke chromatische Abhängigkeit und damit eine besonders hohe Tiefenmessgenauigkeit.

Zu 7. Weiterhin kann sich bei der Triangulationsanordnung vorzugsweise für mindestens eine Wellenlänge des Lichtes der Betrag der Brechkraft des brechkraftvariablen, abbildenden Systems zu null ergeben. Dadurch kann als nachfolgendes optisches System ein kostengünstiges Standardobjektiv eingesetzt werden, welches in der Regel auf der einen Seite nach Unendlich korrigiert ist.

Zu B. Weiterhin ist bei der Triangulationsanordnung der Lichtquelle vorzugsweise ein steuerbarer Monochromator nachgeordnet. Damit ist es möglich, nacheinander Licht verschiedener Wellenlängen in die Triangulationsanordnung eintreten zu lassen. Aufgrund der unterschiedlichen Brechkraft des brechkraftvariablen, abbildenden Systems erfolgt so eine scharfe Abbildung des Sendemuster-Arrays, welches beispielsweise als Liniengitter ausgebildet sein kann, in unterschiedliche Tiefen des Objektraumes. Außerdem werden aus unterschiedlichen Tiefen des Objektraumes je nach Lage der Schärfeebene des Beleuchtungsstrahlenganges Objektdetails scharf auf die Pixel des Sensor-Chips einer Kamera abgebildet.

Zu 9. Weiterhin ist bei der Triangulationsanordnung die Lichtquelle vorzugsweise durchstimmbar ausgebildet. Die Lichtquelle kann dabei auch ein durchstimmbarer Laser sein. Auch ist es möglich, dass mehrere verschiedenfarbige LEDs oder eine weiße LED in den Beleuchtungsstrahlengang eingekoppelt sind, die zeitlich nacheinander eingeschaltet werden, so das eine durchstimmbare Lichtquelle nachgebildet wird.

Zu 10. Weiterhin ist bei der Triangulationsanordnung der Kamera ein Dispersionssystem vorgeordnet. Bei der Verwendung einer spektral mehrkanaligen Lichtquelle kann so eine spektrale Aufspaltung des Lichtes vorgenommen werden, welches bei einer linienhaften Ausleuchtung der Objektoberfläche dann auf einen flächenhaften Sensor senkrecht zur Linie lateral aufgespaltet wird. Grundsätzlich kann mittels Farbteiler das Licht auf verschiedene flächenhafte Sensor-Chips aufgeteilt werden, beispielsweise auch auf vier Sensor-Chips, wobei auf jeden Sensor-Chip je zwei Bilder unterschiedlicher Farbe mittels Köstersprisma abgebildet werden können. So können acht Bilder unterschiedlicher Farbe erzeugt werden. Durch die pixelgenaue Ausrichtung der Sensor-Chips im Beobachtungsstrahlengang und bei entsprechender Synchronisation der Sensor-Chips kann so ein periodischer Signalverlauf mit acht unterschiedlichen Pixeln zeitgleich detektiert werden.

Zu 11. Weiterhin ist bei der Triangulationsanordnung das Dispersionssystem vorzugsweise als chromatischer Keil ausgebildet ist, der für mindestens eine Wellenlänge im Spektrum die Ablenkung null aufweist. Das ist vorteilhaft, um einen platzsparenden Geradeaus-Strahlengang aufbauen zu können.

Zu 12 und 13. Weiterhin ist bei der Triangulationsanordnung vorzugsweise das brechkraftvariable, abbildende System mit mindestens einer elektronisch steuerbaren, diffraktiv wirkenden optischen Komponente ausgebildet. Dies kann ein LCD, ein LCOS-Display oder auch ein DMD sein. Die Veränderung der Brechkraft des brechkraftvariablen, abbildenden Systems ergibt sich hierbei nicht durch die Veränderung der Lichtwellenlänge, sondern durch das Verändern der Mikrostruktur. So ist eine diffraktiv wirkende, elektronisch steuerbare, optische Komponente gebildet. Diese Komponente kann als elektronisch steuerbares Amplituden- oder auch als Phasengitter oder eine Kombination derselben ausgebildet sein. Bei Anwendung eines Phasengitters, in welches ein geeignetes Phasenprofil eingeschrieben ist, kann eine besonders hohe Beugungseffizienz erreicht werden.

Zu 14. Bei einem Triangulationsverfahren, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich mit einem Beleuchtungsstrahlengang mit mindestens einer Pupille und einem Beobachtungsstrahlengang mit einer zumindest teilweise separaten Pupille und mindestens einer Lichtquelle mit mindestens drei getrennten Spektralbereichen, einem Sendemuster-Array und mindestens einer Kamera, ist erfindungsgemäß ein dezentriertes, chromatisches, brechkraftvariables, abbildendes System in der Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges angeordnet. Zumindest näherungsweise ist die Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges in einer Brennebene des Beleuchtungsstrahlenganges angeordnet, so dass zumindest näherungsweise in einem Teil desselben Telezentrie besteht. Weiterhin wird im Beobachtungsstrahlengang eine spektrale Zerlegung des Lichtes durchgeführt, so dass nebeneinander liegende Pixel des Sensor-Chips der Kamera einen periodischen Signalverlauf detektieren. So kann bei einer linienhaften Beleuchtung einer Objektoberfläche synchron ein vollständiger Signalverlauf durch die Aufnahme eines einzigen flächenhaften Bildes gewonnen werden. Es kann das spektral zerlegte Licht aber auch verschiedenen flächenhaften Sensor-Chips, beispielsweise den drei Chips einer RGB-Kamera, zugeleitet werden. Zur Auswertung kann ein Drei-Phasen-Auswerteverfahren eingesetzt werden. Dazu ist die spektrale Zerlegung so durchzuführen, dass sich vorzugsweise eine Phasenverschiebung von 120° in den konespondierenden Pixeln der drei Sensor-Chips ergibt.

Zu 15. Bei einem Triangulationsverfahren ist vorzugsweise ein Teil des chromatischen, brechkraftvariablen, abbildenden Systems mit seinem Hauptpunkt H im Pupillenzentrum PZD in der Pupille des Beobachtungsstrahlenganges angeordnet. Im Beobachtungsstrahlengang wird eine spektrale Zerlegung des Lichtes durchgeführt, so dass nebeneinander liegende Pixel des Sensor-Chips der Kamera einen periodischen Signalverlauf mit einer Einhüllenden detektieren. Dies schafft die Möglichkeit, neben der Phase auch noch die Streifenordnung zu bestimmen, so dass die absolute Phase bestimmt werden kann. Eine für einen periodischen Signalverlauf mit einer Einhüllenden zeitoptimale Signalauswertung wurde bereits in Applied Optics, Vol. 39, No. 8, 10. März 2000, Seite 1290 bis 1295 [1] sowie in Fringe'01: Proceedings of the 4th International Workshop on Automatic Processing of Fringe Patterns, Elsevier 2001, S. 173-180 unter „Generalized Signal Evaluation for White-light interferometry and Scanning fringe projection" [2] oder im Fachaufsatz "Signalverarbeitung bei tiefen-scannenden 3D-Sensoren für neue industrielle Anwendungen" in der Fachzeitschrift Technisches Messen 69 (2002) 5 [3] dargestellt.

Zu 16. Weiterhin wird bei einem Triangulationsverfahren, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich mit einem Beleuchtungsstrahlengang mit mindestens einer Pupille und einem Beobachtungsstrahlengang mit einer zumindest teilweise separaten Pupille und mindestens einer Lichtquelle, einem Sendemuster-Array und mindestens einer Kamera erfindungsgemäß die Brechkraft eines brechkraftvariablen, abbildenden Systems in der Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges elektronisch so gesteuert, wobei zumindest näherungsweise die Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges in einer Brennebene des Beleuchtungsstrahlenganges angeordnet ist, so dass zumindest näherungsweise in einem Teil desselben Telezentrie besteht und so die Pixel eines Sensor-Chips der Kamera über der Zeit von mehreren Kamera-Frames einen periodischen Signalverlauf mit einer Einhüllenden detektieren. Dabei kann es sich um Signalverläufe handeln, die einem Weißlicht-Interferogramm ähneln. Die Auswertung erfolgt, wie es in [1] bis [3] bereits dargestellt wurde.

Zu 17. Weiterhin ist bei dem Triangulationsverfahren ein Teil des chromatischen, brechkraftvariablen, abbildenden Systems mit seinem Hauptpunkt H im Pupillenzentrum PZD in der Pupille des Beobachtungsstrahlenganges angeordnet. Dabei wird erfindungsgemäß die Brechkraft des brechkraftvariablen, abbildenden Systems in der Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges elektronisch so gesteuert wird, dass die Pixel eines Sensor-Chips der Kamera über der Zeit von mehreren Kamera-Frames einen periodischen Signalverlauf mit einer Einhüllenden detektieren, wobei die Phase am Schwerpunkt eine Konstante ist. Dies ist für die Ausweitung ein besonderer Vorteil. Beim Einsatz eines Liniengitters mit einer zufallsverteilten Variation der Stegbreiten des Liniengitters wird in jedem Pixel über der Zeit von mehreren Kamera-Frames ein Signalverlauf mit einer zufallsverteilten Komponente mit einer Einhüllenden gewonnen. Da verfahrensgemäß die Formen der zu erwartenden Signale in jedem Pixel – durch das Einmessen der Triangulationsmessanordnung – unabhängig von der Tiefe des jeweiligen Objektpunktes vorab bekannt sind, kann über eine Kreuzkorrelation des aktuell gemessenen Signalverlaufs mit dem bereits gespeicherten Signalverlauf die genaue Position des unbekannten Objektpunktes bestimmt werden.

Zu 18. Bei einem Triangulationsverfahren, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich mit einem Beleuchtungsstrahlengang mit mindestens einer Pupille und einem Beobachtungsstrahlengang mit einer zumindest teilweise separaten Pupille und mindestens einer Lichtquelle, wird die Brechkraft eines brechkraftvariablen, lichtablenkenden Systems in der Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges elektronisch so gesteuert und zumindest näherungsweise die Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges in einer Brennebene des Beleuchtungsstrahlenganges angeordnet ist, so dass zumindest näherungsweise in einem Teil desselben Telezentrie besteht, und so die Pixel eines Sensor-Chips der Kamera einen periodischen Signalverlauf detektieren. Dabei handelt es sich vorzugsweise um Intensitäten, die eine Phasenverschiebung von 90° oder 120° aufweisen. Die Phasen-Auswertung erfolgt in der bekannten Art und Weise.

Das zu messende Objekt ist bei einer Triangulationsmessanordnung mit einem Stereomikroskop dem Frontobjektiv, also hier dem Prüfobjektiv, zumindest näherungsweise und mindestens zu einem Teil in dessen Brennebene angeordnet. Erfinderisch ist in der dem Objekt abgewandten Brennebene des Prüfobjektivs also mindestens ein abbildendes System angeordnet, welches als brechkraftvariables, abbildendes System ausgebildet ist. Als Brechkraft wird hier der reziproke Wert der Brennweite gemeint. Dabei kann das brechkraftvariable, abbildende System unter bestimmten Bedingungen auch die Brechkraft null aufweisen. Die Brechkraft des brechkraftvariablen, abbildenden Systems kann sich zum einen in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichtes ändern. Dann ist das brechkraftvariable, abbildende System ein chromatisches System. Vorzugsweise besteht dieses chromatische brechkraftvariable, abbildende System aus zwei Teilsystemen, die beispielsweise bei einer mittleren Wellenlänge die im Betrag gleiche, jedoch im Vorzeichen umgekehrte Brechkraft aufweisen. Vorzugsweise ist dabei mindestens eines dieser Teilsysteme chromatisch ausgebildet.

Das brechkraftvariable, abbildende System kann auch zwei Hauptebenen, die separiert sind, aufweisen. Dann koinzidiert eine dieser Hauptebenen mit der zugeordneten Brennebene des Prüfobjektivs.

Durch die Anordnung des brechkraftvariablen, abbildenden Systems mit seinem Hauptpunkt in der Pupille und einem außeraxialen Ausschnitt in der Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges erfolgt ein Mitführen der Phase im Abbildungsstrahl in der Art wie es in DE 198 146 45 A1 erstmalig beschrieben wurde. Dabei ist die Phase am Schwerpunkt eines periodischen Signals mit einer Einhüllenden, unabhängig von der aktuellen Tiefe des Objektpunktes, zumindest näherungsweise stets die gleiche.

Beschreibung der Figuren
1 zeigt eine Anordnung für die mikroskopische Streifentriangulation, die z.B. mittels eines Stereomikroskops realisiert werden kann. Das von einer monochromatischen Lichtquelle 1 ausgehende Licht beleuchtet ein Liniengitter, welches als Sinusgitter ausgebildet ist und durch das nachfolgende Objektiv 3 nach Unendlich abgebildet wird. In der Brennebene dieses Objektivs 3 befindet sich eine dünnes, brechkraftvariables, abbildendes System 4, hier in 1 mit maximaler positiver Brechkraft dargestellt, deren Hauptpunkt H4 mit dem Pupillenzentrum PZD des Detektionsstrahlenganges zusammenfällt. Das brechkraftvariable, abbildende System 4 ist mit einer elektronisch steuerbaren diffraktiven Komponente aufgebaut, die im Messvorgang, also bei der Aufnahme von Bildern die Brechkraft der Komponente rechnergesteuert stetig verändert. Das vom Objektiv 3 kommende Lichtbündel wird durch die dezentrierte Lage des brechkraftvariablen abbildenden Systems 4 abgelenkt. Gleichzeitig wird das Lichtbündel auch fokussiert und wird anschließend durch das Prüfobjektiv 5 auf das Objekt 6 gelenkt, wo je nach Fokussierung des brechkraftvariablen abbildenden Systems 4 in unterschiedlichen Tiefen des Objektraumes ein scharfes Bild des Liniengitters entsteht. Durch die mit abnehmender Brechkraft des brechkraftvariablen abbildenden Systems 4 geringer werdende laterale Auslenkung des Bündels erfolgt eine laterale Schiebung des Gitterbildes. Das vom Objekt 6 kommende Licht gelangt über das Prüfobjektiv 5 auf das brechkraftvariable, abbildende System 4 und wird über das Detektionsobjektiv 7 auf den Sensor-Chip 8 einer Kamera abgebildet. Durch die Koinzidenz von Brennebene und Pupillenebene und Hauptpunkt H4 des brechkraftvariablen abbildenden Systems 4 mit dem Pupillenzentrum PZD verbleiben bei jeder Brechkraft des brechkraftvariablen abbildenden Systems 4 das vom Sensor- Chip 8 über das Detektionsobjektiv 7 rückabgebildete Bild des Pixels D1 und das Bild des leuchtenden Elements L1 im Objektraum in Koinzidenz. Die 2 zeigt die Situation bei einer negativen Brechkraft des brechkraftvariablen abbildenden Systems 4. Die Veränderung der Brechkraft erfolgt elektronisch gesteuert. So wird bei der Aufnahme von Bildern durch die Kamera in jedem Pixel ein Signalverlauf erzeugt, der dem in 3 vergleichbar ist, wobei sich die Phase am Modulationsmaximum von Pixel zu Pixel ändert. So erhält man für jedes Pixel periodische Signalverläufe mit einer einhüllenden, die mit bekannten Signalauswerte-Algorithmen hinsichtlich der absoluten Phase ausgewertet werden können. Eine mögliche Signalauswertung wurde in Fringe'01, Jüpfner, W.; Osten W. (Eds.): Proceedings of the 4th International Workshop on Automatic Processing of Fringe Patterns, Elsevier 2001unter „Generalized Signal Evaluation for White-light interferometry and Scanning fringe projection", S. 173-180, dargestellt.
Der besondere Vorteil dieser Anordnung besteht nun darin, dass sich bei der Veränderung der Brechkraft des brechkraftvariablen, abbildenden Systems 4 weder der Abbildungsmaßstab der Objektabbildung, noch die Triangulationswinkel in der Anordnung und auch nicht die Phase am Schwerpunkt der in jedem Pixel detektierten Signale ändert. Letzteres vereinfacht die Signalauswertung ganz erheblich.
Die 4 zeigt eine kollimierte Lichtquelle 1, die über der Zeit wellenlängendurchstimmbar ist. Wird diese Lichtquelle 1 in der Anordnung nach 1 bzw. 2 eingesetzt und ist die brechkraftvariable, abbildende Komponente 4 chromatisch ausgebildet, ergibt sich der in 4 über der Zeit des Wellenlängendurchstimmens dargestellte Signalverlauf in einem Pixel. Dabei ist es vom Prinzip her nebensächlich, ob die wellenlängendurchstimmbare Lichtquelle 1 als Weißlichtquelle mit einem nachgeordneten Monochromator oder als durchstimmbare Laserlichtquelle aufgebaut ist.
Es ist aber auch möglich, dass die kollimierte Lichtquelle 1 als Weißlichtquelle aufgebaut ist und das Objekt 6 mit einem schmalen Lichtspalt beleuchtet und das brechkraftvariable, abbildende System 4 chromatisch ausgebildet ist und im Beobachtungsstrahlengang nach 1 in der Nähe der Brennebene zusätzlich ein chromatischer Keil oder ein diffraktives Element nachgeordnet ist, welcher am besten für eine mittlere Wellenlänge geradsichtig sind. Dieser chromatische Keil zerlegt das Licht auf einem flächenhaften Sensor-Chip spektral, so dass die Signale nach 3 so in einer Richtung senkrecht zur Abbildung der Linie auf dem Objekt auf dem Sensor-Chip entstehen. So gibt es für jeden Objektpunkt der ausgeleuchteten Linie ein derartiges Signal, und es kann in Echtzeit für jede mikroskopisch scharfe Linie des Objektes 6 das Mikroprofil durch ein einziges Kamerabild bestimmt werden, wobei eine an den Kameratakt angepasste Bewegung des Objektes 6 zulässig ist. Bei einer 5 KHz-Kamera kann so das Profil bis zu einer Geschwindigkeit von 25 mm/s noch mit etwa 5 μm lateral aufgelöst werden.
Die 5 stellt eine Triangulations-Messanordnung vor, die besonders vorteilhaft für die dreidimensionale Formmessung im Bereich bis zu 25 mm Objektausdehnung eingesetzt werden kann.
Das brechkraftvariable System 4 ist hierbei so angeordnet, dass dessen Hauptpunkt H4 mit dem Pupillenzentrum PZD des Detektionsobjektivs 7 koinzidiert. Das Objekt wird hierbei von zwei Seiten beleuchtet, wodurch sich eine gute Erfassung des Objektes 6 ergibt. Grundsätzlich kann das brechkraftvariable System 4 chromatisch-konfokal und mit einer durchstimmbaren Lichtquelle, einer Weißlichtquelle und einem nachgeordneten Dispersionskeil im Detektionsstrahlengang oder auch mit einem elektronisch steuerbaren Mikro-Array und einer monochromatischen Lichtquelle gestaltet sein. Bei der ersten Variante ergibt sich der Signalverlauf aus 3 über der Lichtwellenlänge und beim steuerbaren Mikro-Array über der Zeit für eine Sequenz von Zuständen unterschiedlicher Brechkraft. Die Details zur Ausbildung eines brechkraftvariablen, abbildenden Systems 4 stehen hierbei nicht im Vordergrund.
Die 6 zeigt die Pupillenebene und Brennebene des Objektivs 5 in der 5, wobei der graue und der schwarze Bereich der Pupille jeweils lichtundurchlässig ist. Die Mittenabschattung ist hierbei notwendig, da dieser Bereich optisch nicht gut korrigiert ist. Deshalb liegt auch die Beobachtungspupille mit dem Pupillenzentrum PZD7 in dieser Ebene außermittig zur Pupille des Objektivs 5. Die beiden Beleuchtungspupillen ermöglichen eine zweiseitige Beleuchtung des Objektes 6 und somit eine besonders gute Beleuchtung desselben. Das brechkraftvariable, abbildende System 4 ist mit ihrem Hauptpunkt H4 so positioniert, dass dieser mit dem Pupillenzentrum PZD7 zusammenfällt, so dass sich beim Durchfokussieren mittels brechkraftvariablem System 4 grundsätzlich keine Verschiebung des Bildes auf dem Sensor-Chip ergibt. Durch die unterschiedlichen Pupillenabstände der linken und der rechten Pupillenfläche resultiert das in jedem Pixel detektierte Signal aus zwei einzelnen Signalen mit zwei unterschiedlichen Frequenzspektren. Somit können diese Signale numerisch gut getrennt werden und für jedes Signal kann die Information über die Topografie gewonnen werden. Dabei ist es möglich, dass ein Teilsignal im Gesamtsignal wegen Abdeckung oder Abschattung praktisch null ist.
Die 7 zeigt eine makroskopische Triangulationsanordnung mit zwei separaten Objektiven und auch Pupillen für die Beleuchtung und die Detektion und einem abbildenden, brechkraftvariablen System 4 zur Fokussierung und zur Phasenstellung. So können Signale nach 3 über eine Brechkraftvariation gewonnen werden, wobei die Signale hier sowohl über die Veränderung der Mikrostruktur oder über die wellenlängenabhängige Brechzahl eines brechkraftvariablen Systems 4 generiert werden können.
Die 8 zeigt eine Anordnung für die Streifentriangulation mit zwei separaten Objektiven und auch Pupillenbereichen für die Beleuchtung und die Detektion. Die Beleuchtungspupille weist zwei Bereiche mit den Pupillenzentren PZL1 und PZL2 auf, um zwei unterschiedliche Triangulationswinkel α1 und α2 für ein Zwei-Wellenlängen-Verfahren erzeugen zu können. Die Phase wird mittels brechkraftvariabler Komponente 44 und dem sukzessiven Einschalten der sechs Lichtquellen mit der Schwerpunktwellenlänge λ1, λ2 und λ3 gestellt, wobei die Phasenstellung für das gesamte Feld erfolgt. Das brechkraftvariable System 44 besitzt hier die Wirkung eines refraktiven Keils und wirkt nur im Beleuchtungsstrahlengang. Die Ausleuchtung der Pupille 1 erfolgt mit den Lichtquellen 1 des linken Blocks (1) und die Ausleuchtung der Pupille 2 erfolgt mit den Lichtquellen 2 des rechten Blocks (2). Jede der sechs Lichtquellen wird einzeln nacheinander geschaltet, wobei für jede Lichtquelle jeweils ein Bild aufgenommen wird. Die Dimensionierung der Triangulationsanordnung erfolgt so, dass bei jeder Wellenlänge eine Verschiebung um etwa ein Drittel der Gitterperiode p erfolgt, wobei die Kamera 88 bei einer RGB-Lichtquelle eine RGB-Drei-Chip-Farbkamera sein kann. Um Einflüsse der Eigenfarbe des Objektes gering zu halten, ist es jedoch besser, keine RGB-Kamera einzusetzen und dafür spezielle Farbteilerschichten im Kamerafarbteiler zu verwenden und eine Lichtquelle, die nur etwa eine Differenz der Schwerpunktwellenlängen von 30 nm bis etwa 50 nm aufweist. Es kommen die üblichen Zwei-Wellenlängen-Auswerte-Algorithmen zur Anwendung.
Für alle dargestellten Anordnungen gilt: Die Triangulationswinkel der Beleuchtung αL und der Detektion αD sind jeweils unabhängig von der Brechkraft des brechkraftvariablen Systems 4 und somit konstant. Somit ist die Tiefenempfindlichkeit der Triangulations-Messanordnung für alle Objektpunktlagen jeweils eine Konstante.

Claims

Triangulationsanordnung, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich mit einem Beleuchtungsstrahlengang mit mindestens einer Pupille und einem Beobachtungsstrahlengang mit einer zumindest teilweise separaten Pupille und mindestens einer Lichtquelle, einem Sendemuster-Array und mindestens einer Kamera, gekennzeichnet dadurch, dass zumindest näherungsweise die Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges in einer Brennebene des Beleuchtungsstrahlenganges angeordnet ist, so dass zumindest näherungsweise in einem Teil desselben Telezentrie besteht, und in der Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges mindestens ein brechkraftvariables, abbildendes System (4) angeordnet ist, welches in der Pupille dezentriert ist.
Triangulationsanordnung, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich mit einem Beleuchtungsstrahlengang mit mindestens einer Pupille und einem Beobachtungsstrahlengang mit einer zumindest teilweise separaten Pupille und mindestens einer Lichtquelle, einem Sendemuster-Array und mindestens einer Kamera, gekennzeichnet dadurch, dass zumindest näherungsweise die Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges in einer Brennebene des Beleuchtungsstrahlenganges angeordnet ist, so dass zumindest näherungsweise in einem Teil desselben Telezentrie besteht, und in der Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges mindestens ein brechkraftvariables, lichtablenkendes System (44) angeordnet ist.
Triangulationsanordnung, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Hauptpunkt (H4) des brechkraftvariablen, abbildenden Systems (4) mit dem Pupillenzentrum des Beobachtungsstrahlenganges (PZD) zusammenfällt und auch eine Brennebene des Beobachtungsstrahlenganges mit der Pupillenfläche desselben zusammenfällt und so zumindest näherungsweise in einem Teil desselben Telezentrie besteht und zumindest Ausschnitte des brechkraftvariablen, abbildenden Systems (4) sowohl die Pupillenfläche des Beleuchtungsstrahlenganges als auch die Pupillenfläche des Beobachtungsstrahlenganges überdecken.
Triangulationsanordnung, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Pupillenflächen von Beleuchtungs- als auch Beobachtungsstrahlengang mit einer gemeinsamen Brennebene von Beleuchtungs- als auch Beobachtungsstrahlengang zusammenfallen und in der Triangulationsanordnung dem Objekt ein gemeinsam für Beleuchtung und Beobachtung verwendetes Prüfobjektiv vorgeordnet ist und zumindest näherungsweise im Objektraum Telezentrie besteht.
Triangulationsanordnung, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass das brechkraftvariable, abbildende System (4) chromatisch ausgebildet, so dass dessen Brechkraft eine Abhängige der Wellenlänge des Lichtes ist, und der Triangulationsanordnung eine Lichtquelle mit einer Spektralverteilung, die mindestens drei getrennte Spektralbereiche aufweist, zugeordnet ist.
Triangulationsanordnung, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass das brechkraftvariable, abbildende System (4) mit mindestens einer diffraktiv wirkenden optischen Komponente ausgebildet ist.
Triangulationsanordnung, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass sich für mindestens eine Wellenlänge des Lichtes der Betrag der Brechkraft des brechkraftvariablen, abbildenden Systems (4) zu null ergibt.
Triangulationsanordnung, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass der Lichtquelle ein steuerbarer Monochromator nachgeordnet ist
Triangulationsanordnung, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass der Lichtquelle durchstimmbar ausgebildet ist.
Triangulationsanordnung, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass der Kamera ein Dispersionssystem vorgeordnet ist.
Triangulationsanordnung, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 und 10, gekennzeichnet dadurch, dass das Dispersionssystem als chromatischer Keil ausgebildet ist, der für mindestens eine Wellenlänge im Spektrum die Ablenkung null aufweist.
Triangulationsanordnung, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass das brechkraftvariable, abbildende System (4) mit mindestens einer elektronisch steuerbaren, diffraktiv wirkenden optischen Komponente ausgebildet ist.
Triangulationsanordnung, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 und 12, gekennzeichnet dadurch, dass das brechkraftvariable, abbildende System (4) mit mindestens einem elektronisch steuerbaren Phasengitter ausgebildet ist.
Triangulationsverfahren, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich mit einem Beleuchtungsstrahlengang mit mindestens einer Pupille und einem Beobachtungsstrahlengang mit einer zumindest teilweise separaten Pupille und mindestens einer Lichtquelle mit mindestens drei getrennten Spektralbereichen, einem Sendemuster-Array und mindestens einer Kamera, gekennzeichnet dadurch, dass ein dezentriertes, chromatisches, brechkraftvariables, abbildendes System (4) in der Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges angeordnet ist und zumindest näherungsweise die Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges in einer Brennebene des Beleuchtungsstrahlenganges angeordnet ist, so dass zumindest näherungsweise in einem Teil desselben Telezentrie besteht, und im Beobachtungsstrahlengang eine spektrale Zerlegung des Lichtes durchgeführt wird, so dass nebeneinander liegende Pixel des Sensor-Chips der Kamera einen periodischen Signalverlauf detektieren.
Triangulationsverfahren, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, dass ein Teil des chromatischen, brechkraftvariablen, abbildenden Systems (4) mit seinem Hauptpunkt (H4) im Pupillenzentrum PZD in der Pupille des Beobachtungsstrahlenganges angeordnet ist und im Beobachtungsstrahlengang eine spektrale Zerlegung des Lichtes durchgeführt wird, so dass nebeneinander liegende Pixel des Sensor-Chips der Kamera einen periodischen Signalverlauf mit einer Einhüllenden detektieren.
Triangulationsverfahren, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich mit einem Beleuchtungsstrahlengang mit mindestens einer Pupille und einem Beobachtungsstrahlengang mit einer zumindest teilweise separaten Pupille und mindestens einer Lichtquelle, einem Sendemuster-Array und mindestens einer Kamera, gekennzeichnet dadurch, dass die Brechkraft eines brechkraftvariablen, abbildenden Systems (4) in der Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges elektronisch so gesteuert wird und zumindest näherungsweise die Pupille des Beleuchtungsstrahlengang in einer Brennebene des Beleuchtungsstrahlengang angeordnet ist, so dass zumindest näherungsweise in einem Teil desselben Telezentrie besteht, und so die Pixel eines Sensor-Chips der Kamera einen periodischen Signalverlauf detektieren.
Triangulationsverfahren, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich nach Anspruch 16, gekennzeichnet dadurch, dass ein Teil des chromatischen, brechkraftvariablen, abbildenden Systems (4) mit seinem Hauptpunkt (H4) im Pupillenzentrum PZD in der Pupille des Beobachtungsstrahlenganges angeordnet ist die Brechkraft des brechkraftvariablen, abbildenden Systems in der Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges elektronisch so gesteuert wird, dass die Pixel eines Sensor-Chips der Kamera einen periodischen Signalverlauf mit einer Einhüllenden detektieren.
Triangulationsverfahren, insbesondere zur optischen Messung der 3D-Gestalt im Mikro- und Makrobereich mit einem Beleuchtungsstrahlengang mit mindestens einer Pupille und einem Beobachtungsstrahlengang mit einer zumindest teilweise separaten Pupille und mindestens einer Lichtquelle, einem Sendemuster-Array und mindestens einer Kamera, gekennzeichnet dadurch, dass die Brechkraft eines brechkraftvariablen, lichtablenkenden Systems (44) in der Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges elektronisch so gesteuert wird und zumindest näherungsweise die Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges in einer Brennebene des Beleuchtungsstrahlenganges angeordnet ist, so dass zumindest näherungsweise in einem Teil desselben Telezentrie besteht, und so die Pixel eines Sensor-Chips der Kamera einen periodischen Signalverlauf detektieren.