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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der am 13. Juli 2011 angemeldeten vorläufigen US-amerikanischen Patentanmeldung, Aktenzeichen 61/507,304, deren Inhalt hiermit durch Verweis in seiner Gesamtheit einbezogen wird.
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Hintergrund
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Verfahren für die dreidimensionale (3D) Oberflächenkonturierung und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verwendung eines räumlichen Lichtmodulators als dynamisches Beugungsgitter zum Reflektieren von strukturiertem Licht in einem von mehreren Mustertypen auf eine Oberfläche eines Objekts, um schließlich durch Triangulation die 3D-Kontur der Oberfläche des Objekts mittels der Interferenz von zwei Lichtstrahlen oder Lichtpunkten zu ermitteln.
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Es stehen im Gebiet der dreidimensionalen Oberflächenkonturierung für die genaue und schnelle Ermittlung der 3D-Koordinaten eines Objekts viele bekannte Verfahren zur Verfügung, von denen einige die Nutzung des Projizierens verschiedener strukturierter Lichtmuster auf das Objekt einbeziehen. Das strukturierte Lichtmuster wird normalerweise in Streifen (d. h. abwechselnd hellen und dunklen oder unterschiedliche Farben aufweisenden „Strichen” oder Bereichen) auf einer Oberfläche des Objekts gebildet. In einigen Fällen wird ein räumlicher Lichtmodulator in Form eines Beugungsgitters vom durchlässigen oder reflektierenden Typ verwendet, um Gittermuster zu bilden und die Phase dieser Muster zu ändern. Die daraus resultierenden Streifenmuster auf der Oberfläche des Objekts werden anschließend von einem Kameragerät wie beispielsweise einem ladungsgekoppelten Bauelement (CCD; charge coupled device) beobachtet und durch einen Computer bzw. Prozessor mit verschiedenen bekannten Triangulationsverfahren verarbeitet, um schließlich die 3D-Oberflächenkontur des Objekts zu ermitteln.
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Zu den Nachteilen bei dieser Vorgehensweise zählt jedoch die Tatsache, dass das Beugungsgitter vom „statischen” Typ ist, der durch irgendeine Art von einem manuellen Mittel bewegt werden muss, um eine Verschiebung der Phase der Gittermuster zu bewirken. Es ergibt sich daraus eine relativ langsame Geschwindigkeit bei der Phasenverschiebung, was zu einer nicht optimalen Leistung des Gesamtsystems führt. Außerdem benötigt ein solches System unter Umständen mehrere separate Beugungsgitter, die jeweils eine unterschiedliche Gitterperiode aufweisen, um ein Streifenmuster mit dem erforderlichen Zwischenraum zwischen den Streifenlinien (auch als „Abstand” der Streifenlinien bekannt) zu erzeugen. Es kann außer den mehreren Gittern auch erforderlich sein, zugeordnete Translationstische und Rückmeldungsmechanismen mit optischen Bauteilen bereitzustellen, die beide im Allgemeinen relativ teuer sind. Ein derartiges System benötigt möglicherweise auch ein relativ großes Maß an Prozessorkapazität, um die von der Kamera aufgenommenen Bilder zu verarbeiten.
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Andere bekannte 3D-Objektoberflächen-Konturierungssysteme des Stands der Technik beruhen auf der direkten Projektion von Laserlicht, wobei das projizierte Bild im Wesentlichen eine Kopie eines Musters ist, das in einem räumlichen Lichtmodulator wie beispielsweise in einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung gebildet wird.
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Es besteht die Absicht, sehr reine sinusfömige Muster mit unbegrenzter Schärfentiefe zu erzeugen. Ein Weg zur Durchführung davon besteht darin, eine reflektierende oder durchlässige Vorrichtung wie beispielsweise eine dynamische Beugungsgittervorrichtung in einem relativ hochgenauen und preisgünstigeren Messsystem mit 3D-Objektoberflächen-Konturierung zu verwenden, um verschiedene Typen strukturierter Lichtmuster durch Reflexion des Lichts von dem Gitter zu bilden, welches dann das reflektierte Licht durch eine Lochblendenplatte bereitstellt, um durch Filtern zwei fokussierte Lichtpunkte, die den Moden der Ordnung +1 und –1 entsprechen, zu erzeugen und anschließend dem Licht von den zwei Lichtpunkten die Möglichkeit zu geben, an der Oberfläche eines Objekts zu interferieren. Die Interferenz erzeugt periodische Sinuswellen, die in ihrer Intensität variieren, wodurch Streifenmuster dargestellt werden, deren Bilder dann von einer Kamera aufgenommen und mit bekannten Triangulationsverfahren verarbeitet werden können, um die 3D-Oberflächenkontur des Objekts zu ermitteln. Das reflektierende dynamische Beugungsgitter kann eine digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD; digital micromirror device) umfassen, die eine zweidimensionale Anordnung von mehreren beweglichen reflektierenden Lichtschaltern bzw. Spiegeln umfasst, die unter Einsatz der Technik mikroelektromechanischer Systeme (MEMS; microelectromechanical systems) gebildet werden. Man kann das dynamische Beugungsgitter im Allgemeinen als einen „räumlichen Lichtmodulator” (SLM; spatial light modulator) bezeichnen, bei dem das Gitter ein besonderer SLM-Typ sein kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Verfahren zum Ermitteln von dreidimensionalen Koordinaten eines ersten Objektpunkts auf einer Oberfläche eines Objekts umfasst folgende Schritte: Bereitstellen einer Quelle, eines Projektors und einer Kamera, wobei der Projektor einen räumlichen Lichtmodulator, eine Projektorlinse und eine Lochblendenplatte umfasst, wobei die Kamera eine Kameralinse und eine photosensitive Anordnung umfasst, wobei der Projektor ein perspektivisches Zentrum des Projektors aufweist, wobei die Kamera ein perspektivisches Zentrum der Kamera aufweist, wobei das Liniensegment, das das perspektivische Zentrum des Projektors und das perspektivische Zentrum der Kamera verbindet, die Basislinie ist, wobei die Länge der Basislinie die Basislinienlänge ist; Projizieren eines ersten Lichts von der Quelle zu dem räumlichen Lichtmodulator. Das Verfahren umfasst ferner: in einem ersten Vorgang: räumliches Modulieren des ersten Lichts mit dem räumlichen Lichtmodulator, um ein erstes Modulatorlichtmuster mit einem ersten Abstand zu erzeugen; Senden des ersten Modulatorlichtmusters durch die Projektorlinse, um erste mehrere Lichtpunkte zu bilden; Filtern der ersten mehreren Punkte mit der Lochblendenplatte, um ein erstes Paar von Lichtpunkten durchzulassen, während andere Punkte unter den ersten mehreren Punkten blockiert werden; Ausbreiten von Licht von dem ersten Paar von Lichtpunkten auf dem Objekt, um ein erstes Streifenmuster auf dem Objekt zu erhalten, wobei der erste Objektpunkt durch das erste Streifenmuster beleuchtet wird; Abbilden des ersten Objektpunkts mit der Kameralinse auf einem ersten Anordnungspunkt der photosensitiven Anordnung, um einen ersten elektrischen Datenwert von der photosensitiven Anordnung zu erhalten. Das Verfahren umfasst ferner: in einem zweiten Vorgang: räumliches Modulieren des ersten Lichts mit dem räumlichen Lichtmodulator, um ein zweites Modulatorlichtmuster mit einem dem ersten Abstand gleichen Abstand zu erzeugen, wobei das zweite Modulatormuster relativ zu dem ersten Modulatormuster räumlich verschoben wird; Senden des zweiten Modulatorlichtmusters durch die Projektorlinse, um zweite mehrere Lichtpunkte zu bilden; Filtern der zweiten mehreren Punkte mit der Lochblendenplatte, um ein zweites Paar von Lichtpunkten durchzulassen, während andere Punkte unter den zweiten mehreren Punkten blockiert werden; Ausbreiten von Licht von dem zweiten Paar von Lichtpunkten auf dem Objekt, um ein zweites Streifenmuster auf dem Objekt zu erhalten, wobei der erste Objektpunkt durch das zweite Streifenmuster beleuchtet wird; Abbilden des ersten Objektpunkts mit der Kameralinse auf einem ersten Anordnungspunkt der photosensitiven Anordnung, um einen zweiten elektrischen Datenwert von der photosensitiven Anordnung zu erhalten. Das Verfahren umfasst ferner noch: Ermitteln der dreidimensionalen Koordinaten des ersten Objektpunkts basierend zumindest teilweise auf dem ersten elektrischen Datenwert, dem zweiten elektrischen Datenwert und der Basislinienlänge; und Speichern der dreidimensionalen Koordinaten des ersten Objektpunkts.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen, sind dort beispielhafte Ausgestaltungen dargestellt, die in Bezug auf den gesamten Schutzbereich der Offenbarung nicht als einschränkend zu verstehen sind, und wobei die Elemente in mehreren Figuren gleich nummeriert sind:
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1 zeigt einen Abschnitt eines bekannten Systems des Stands der Technik zum Ermitteln der 3D-Oberflächenkontur eines Objekts unter Verwendung eines statischen durchlässigen Beugungsgitters, das mit manuellen Mitteln bewegt werden kann und durch welches das daraus resultierende strukturierte Licht in einem von verschiedenen Gittermustertypen durchgeht und dann durch eine Lochblendenplatte durchgeht, wobei zwei fokussierte Lichtpunkte durchgelassen werden, die aus ebenen Wellen entstehen, die den Moden der Ordnung +1 und –1 des verwendeten bestimmten Gittermusters entsprechen, wobei die zwei Lichtpunkte dann an der Oberfläche des Objekts interferieren, wobei die Interferenz eine sinusförmig variierende Bestrahlungsstärke über der Objektoberfläche erzeugt. Das Streifenmuster auf der Objektoberfläche kann von einem Kameragerät aufgenommen und mit Triangulationsverfahren verarbeitet werden, um die 3D-Oberflächenkontur des Objekts zu ermitteln;
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2 zeigt ein System gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zum Ermitteln der 3D-Oberflächenkontur eines Objekts mit einem dynamischen reflektierenden Beugungsgitter, das ein mittels mehrerer beweglicher Mikrospiegel gebildetes Lichtmuster umfasst. Die Mikrospiegel reflektieren das Licht durch eine Linse und eine Lochblendenplatte, wobei zwei fokussierte Lichtpunkte gebildet werden, die den Moden der Ordnung +1 und –1 eines verwendeten bestimmten Gittermusters entsprechen, wobei die zwei Lichtpunkte dann an der Oberfläche des Objekts interferieren, wobei die Interferenz ein Streifenmuster mit sinusförmig variierender Bestrahlungsstärke erzeugt. Das Streifenmuster kann anschließend von einem Kameragerät bildlich erfasst und mit Triangulationsverfahren verarbeitet werden, um die 3D-Oberflächenkontur des Objekts zu ermitteln;
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3, die 3A–3C umfasst, zeigt drei Beispiele von verschiedenen Gittermustern, die verschiedene Abstände aufweisen und innerhalb des Systems von 2 gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung verwendet werden; und
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4, die 4A–4C umfasst, zeigt drei Beispiele von verschiedenen Gittermustern, die verschiedene Phasen aufweisen und innerhalb des Systems von 2 gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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Detaillierte Beschreibung
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Bezug nehmend auf 1, ist dort ein Abschnitt eines bekannten Systems 100 des Stands der Technik zum Ermitteln der 3D-Oberflächenkontur eines Objekts dargestellt, wobei ein statisches durchlässiges 2D-Beugungsgitter 104 verwendet wird. Ein von einer Lichtquelle (z. B. einem Laser, der nicht dargestellt ist) bereitgestellter Lichtstrahl 108 geht durch einen Lichtwellenleiter 112 durch. Der Lichtstrahl 108 geht dann durch eine Sammellinse 116 durch, die den Lichtstrahl 108 bündelt und den gebündelten Lichtstrahl 120 zum Beugungsgitter 104 durchlässt. Das Gitter 104 ist normalerweise von Natur aus statisch und kann durch eine beliebige Anzahl von Mitteln (nicht dargestellt) wie beispielsweise einen Motor bewegt werden (z. B. nach hinten und vorne). Das Gitter bildet den Lichtstrahl 120 zu einem von verschiedenen Gittermustertypen strukturierten Lichts aus. Die Bewegung des statischen durchlässigen Beugungsgitters 104 führt zu einer Verschiebung der Phasen der Gittermuster. Das System 100 von 1 kann gemäß dem bekannten Verfahren der Akkordeonstreifen-Interferometrie (AFI; accordion fringe interferometry) arbeiten.
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Insbesondere kann bei der Ausgestaltung des Stands der Technik von 1 eine AFI-Projektor-Lichtquelle (z. B. der Diodenlaser, der nicht dargestellt ist) an einen Monomode-Lichtwellenleiter 112 gekoppelt werden. Das aus dem Ende des Lichtwellenleiters 112 emittierte Licht wird durch die Linse 116 gebündelt und auf das Phasenbeugungsgitter 104 projiziert. Das lichtdurchlässige Gitter 104 teilt den gebündelten Strahl 108 in zwei Lichtstrahlen 124, 128. Beide Lichtstrahlen 124, 128 treten dann in eine Objektivlinse 132 ein, die die zwei Lichtstrahlen 124, 128 auf dieselbe Brennebene fokussiert. Eine Lochblendenplatte 136 hat zwei darin ausgebildete Lochblenden 140, 144. Die Lochblendenplatte 136 weist alles außer denjenigen Lichtpunkten ab, die durch die Beugungsordnungen +1 und –1 erzeugt werden, und projiziert das daraus resultierende Licht 148, 152 auf eine Oberfläche 156 des Objekts. Die Interferenz des +1- und –1-Lichts 148, 152 erzeugt ein sinusförmiges Muster auf der Oberfläche 156 des Objekts.
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Das Beugungsgitter 104 kann eine Reihe von Linien umfassen, die in ein Stück Glas eingeätzt sind. Die Ätztiefe beträgt bei einer Ausgestaltung d = λ/2 (n – 1), wobei λ die Wellenlänge des Lasers und n der Brechungsindex des Glases sind. Dies erzeugt eine π/2-Phasenverschiebung zwischen den geätzten und ungeätzten Bereichen, wodurch die Beugung nullter Ordnung minimiert wird. Die Streifenverschiebung wird erzeugt, indem das Gitter senkrecht zu den Linien bewegt wird. Die Bewegung bewirkt eine Phasenverschiebung Δø bei dem +1-Strahl und –Δø bei dem –1-Strahl. Wenn die Strahlen hinter der Lochblendenplatte 136 interferieren, führt dies zu einer 2Δø-Verschiebung des Streifenmusters.
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Bei einer Ausgestaltung können drei Kanäle in dem Projektor vorhanden sein. Die Kanäle unterscheiden sich durch den Gitterlinienabstand und die Lochblendenposition. Beispielsweise kann Kanal 1 einen Gitterabstand von 228,6 Mikrometern aufweisen und kann die Bewegung für die 2π/3-Phasenverschiebung 38,1 Mikrometer betragen. Kanal 2 kann einen Gitterabstand von 200,0 Mikrometern aufweisen und die Bewegung für die 2π/3-Phasenverschiebung kann 33,3 Mikrometer betragen. Kanal 3 kann einen Gitterabstand von 180,0 Mikrometern aufweisen und die Bewegung für die 2π/3-Phasenverschiebung kann 30,0 Mikrometer betragen.
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Der Gitterabstand kann derart ausgewählt werden, dass er die Entfaltung (Unwrapping) relativ einfacher macht. Für die Phasenentfaltung (Phase Unwrapping) kann bei einer Ausgestaltung die diophantische Methode verwendet werden. Dazu muss der Streifenabstand (und somit der Gitterabstand) Vielfache von teilerfremden Zahlen betragen: beispielsweise Abstand 1 = 8/7·Abstand 2 und Abstand 2 = 10/9·Abstand 3. Die relativen Verhältnisse von 8:7 bei den Kanälen 1 und 2 sowie 10:9 bei den Kanälen 2 und 3 können die Entfaltungsberechnungen relativ beschleunigen. Andere Verfahren zum Entfalten der Phase sind dem durchschnittlichen Fachmann weithin bekannt.
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In 1 nicht dargestellt, aber normalerweise als Teil eines solchen 3D-Oberflächen-Konturierungssystems 100 ist eine Kamera enthalten, die Bilder der Oberfläche 156 des Objekts aufnimmt, nachdem die Oberfläche 156 mit den strukturierten Lichtgittermustern des Gitters 104 und der Lochblenden 140, 144 beleuchtet wurde. Ebenfalls in 1 nicht dargestellt ist ein Prozessor bzw. Computer, der verschiedene Teile des Systems 100 steuert, das die Lichtquelle, das Mittel, welches das Gitter 104 bewegt, und die Kamera umfasst. Der Prozessor bzw. Computer kann auch benutzt werden, um die Berechnungen durchzuführen, die Teil des Triangulationsverfahrens sind, das die 3D-Kontur der Oberfläche 156 des Objekts basierend hauptsächlich auf den bekannten physischen Positionen der Kamera und der Lichtquelle in Bezug auf die Oberfläche 156 des Objekts und ferner basierend auf den von der Kamera aufgenommenen Bildern ermittelt.
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Bezug nehmend auf 2, gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, ist dort ein 3D-Oberflächenkonturierungssystem 200 für das genaue und schnelle Messen der 3D-Kontur einer Oberfläche eines Objekts dargestellt. Das System 200 von 2 ist dem System 100 von 1 etwas ähnlich, außer dass in 2 eine reflektierende digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD; digital micromirror device) allgemein als räumlicher Lichtmodulator und insbesondere als Beugungsgitter statt des durchlässigen Beugungsgitters 104 von 1 verwendet wird. Bei einer alternativen Ausgestaltung ist die reflektierende DMD durch eine durchlässige DMD ersetzt, wobei die durchlässigen und reflektierenden DMDs das gleiche Lichtmuster erzeugen. Bei einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist die DMD durch eine Flüssigkristallanzeige (LCD; liquid crystal display) oder eine Flüssigkristall-auf-Silizium-Anzeige (LCOS; liquid crystal an silicon) ersetzt, um das Lichtmuster zu erzeugen. Die LCD- oder LCOS-Anzeige kann reflektierend oder durchlässig sein.
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Das System 200 umfasst eine Quelle 210, einen Projektor 230, eine Kamera 260 und einen Prozessor 232. Die Quelle 210 umfasst bei einer Ausgestaltung einen Laser, ein Lichtwellenleiter-Zufuhrsystem 212 und eine Sammellinse 216. Der Projektor 230 umfasst einen räumlichen Lichtmodulator 224, eine Projektorlinse 240 und eine Lochblendenplatte 252. Die Kamera umfasst eine Linse 262 und eine photosensitive Anordnung 265. Der Prozessor 232 kommuniziert mit dem räumlichen Lichtmodulator 224 und der Kamera 260.
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Das System 200 umfasst eine Laserlichtquelle 204, die einem Lichtwellenleiter 212 einen Lichtstrahl 208 bereitstellt. Es können anderte Lichtquellentypen verwendet werden. Der Lichtstrahl 208 bewegt sich durch den Lichtwellenleiter 212 und geht dann zu einer Sammellinse 216 durch, die einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung (DMD) 224 einen gebündelten Lichtstrahl 220 zur Verfügung stellt. Die DMD 224 ist eine Anordnung von Spiegeln, die der Technik mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) zugeordnet sind und einzeln mit elektronischen (d. h. digitalen) Wörtern adressiert werden können. Die Anordnung umfasst normalerweise 800×600 oder 1024×768 einzeln adressierbare digitale Lichtschaltelemente bzw. „Pixel”. Im Handel sind andere 2D-Anordnungsgrößen erhältlich. Ein Beispiel für eine derartige im Handel erhältliche DMD 224 ist ein bei Texas Instruments erhältlicher Mikrochip mit digitaler Lichtverarbeitung (DLP®; digital light processing). Eine solche DLP®-Vorrichtung 224 basiert auf der MEMS-Technik und stellt eine volldigitale Implementierung zur Verfügung. Der Grundbestandteil der DLP®-Vorrichtung 224 ist ein reflektierender digitaler Lichtschalter (d. h. Spiegel) bzw. Pixel.
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Wie oben angegeben wurde, kann die DLP®-Vorrichtung 224 eine Anordnung mit tausenden derartiger Pixel umfassen. Jeder Spiegel misst bei einer Ausgestaltung 10–16 Mikrometer im Durchmesser und kann sich zwischen zwei Positionen von ±10° drehen, wobei +10° eine „An”-Position repräsentiert, bei der der Lichtstrahl 220, der auf den bestimmten Spiegel bzw. das bestimmte Pixel auftrifft, zu einem gewünschten Objekt hin reflektiert wird, und wobei –10° eine „Aus”-Position repräsentiert, bei der der Lichtstrahl 220, der auf den bestimmten Spiegel bzw. das bestimmte Pixel auftrifft, als Teil eines „Aus-Strahls” 228 (2) „abgewiesen” oder von dem Objekt weggerichtet wird. Die Spiegel können bei einer solchen DLP®-Vorrichtung 224 einzeln elektromechanisch bei Frequenzen von 30 kHz oder höher gedreht werden. Die Spiegel werden basierend auf einem digitalen elektronischen Wort gedreht, das der DLP®-Vorrichtung 224 beispielsweise durch einen Prozessor 232 bereitgestellt wird. Wenn sie auf die „An”-Position eingestellt sind, geben die Spiegel bzw. Pixel, die die DLP®-Vorrichtung 224 umfassen, ein digitales optisches Bild an die Objektivlinse 240 aus.
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Durch die Auswahl eines geeigneten Lichtmusters auf der Oberfläche der DLP®-Vorrichtung 224 können zwei ebene Lichtwellen, die den durch das DLP®-Muster erzeugten Ordnungen +1, –1 entsprechen, erzeugt werden. Diese können durch eine Linse gesendet werden, die sie zu zwei kleinen Lichtpunkten 248 fokussiert. Die zwei Lichtpunkte gehen durch Löcher in einer Lochblendenplatte durch. Anderes Licht ist nicht erwünscht und wird durch die Lochblendenplatte blockiert. Eine auf diese Weise benutzte Lochblendenplatte wirkt als räumlicher Filter. Das Licht, das aus der Lochblendenplatte 252 austritt, wird zu der Oberfläche 256 des Objekts hin gerichtet, dessen Oberflächenkontur genau und schnell gemessen werden soll. Das Licht von den Lochblenden überlappt sich in einem Interferenzbereich 237, der in 2 durch Schraffurmarkierungen gekennzeichnet ist. Die Interferenz der zwei Lichtstrahlen an der Objektoberfläche 256 erzeugt sinusförmige Schwankungen bei der Bestrahlungsstärke an der Objektoberfläche 256. Die Bestrahlungsstärke variiert in abwechselnd hellen Bereichen (Spitzen der Sinuswelle) und dunklen Bereichen (Täler der Sinuswelle), wodurch ein Streifenmuster an der Objektoberfläche erzeugt wird.
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Eine Kamera 260 wird dann verwendet, um Bilder der Streifenmuster an der Oberfläche 256 des Objekts aufzunehmen. Die Bilddaten der Kamera werden dem Prozessor 232 zur Verfügung gestellt, der die DLP®-Vorrichtung 224 steuert – insbesondere, um die Phase der von der DLP®-Vorrichtung 224 erzeugten Gittermuster und schließlich die Phase der Streifenmuster auf der Oberfläche 256 des Objekts zu steuern. Der Prozessor kann anschließend bekannte Triangulationsverfahren einsetzen, um die 3D-Kontur der Oberfläche 256 des Objekts zu ermitteln oder zu berechnen.
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Das Kameragerät 260 umfasst eine Linse 262 und eine photosensitive Anordnung 265. Licht, das von einem bestimmten Punkt 258 reflektiert oder gestreut wird, geht durch alle Punkte der Linse durch und wird auf einen Punkt 267 auf der Oberfläche der photosensitiven Anordnung fokussiert. Die Linse 262 hat eine optische Achse, die normalerweise eine Symmetrieachse ist, die durch die Mittelpunkte der Linsenelemente durchgeht. Es gibt einen Punkt in der Linse 262, der ein perspektivisches Zentrum 263 ist. Dies ist ein Punkt, durch welchen ein Strahl von dem Objektpunkt 258 zu dem Anordnungspunkt 267 gezogen werden kann. Eine reale Linse hat Abbildungsfehler, die ihn geringfügig von dem geraden Linienweg durch das perspektivische Zentrum 263 abweichen lassen. Es werden jedoch bei jeder Linse Messungen durchgeführt, um diese Abbildungsfehler zu charakterisieren und in den Messungen zu kompensieren.
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Eine vom perspektivischen Zentrum 241 der Projektorlinse 240 und vom perspektivischen Zentrum 263 der Kameralinse 262 gezogene Linie wird als „Basislinie” 251 bezeichnet und die Länge der Basislinie 251 wird als „Basislinienlänge” bezeichnet. Das Prinzip des Triangulationsverfahrens besteht darin, die Längen und Winkel eines Dreiecks mit den Ecken 263, 241, 258 zu ermitteln. Die Länge der Basislinie 251 und die Werte der zwei Winkel a1 und a2 werden zur Ermittlung der Länge der Seite vom Punkt 258 zum Punkt 263 benutzt. Die Pixelposition des Punkts 267 wird dazu verwendet, die Winkel des Punkts 258 in Relation zu der optischen Achse 270 zu ermitteln. Auf diese Weise können die Koordinaten jedes Punkts auf der Oberfläche des Objekts ermittelt werden.
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Bezug nehmend auf 3A–3C, können die Pixel der DMD 224 derart eingestellt werden, dass sie eine Vielfalt an Beugungsgittern/holographischen Gittern auf der Oberfläche 256 des Objekts erzeugen. Die DMD-Pixel können in einem relativ einfachen Beispiel in Spalten an- und ausgeschaltet werden, wobei ein Beugungsgitter erzeugt wird. Es können mehrere Gitter 300, 304, 308 erzeugt werden, indem man die Anzahl benachbarter Spalten ändert, die an oder aus sind. In 3A–3C sind die Spalten AN (weiße Spalten 312) oder AUS (schwarze Spalten 316). Der Abstand des Beugungsgitters kann geändert werden, indem man die Anzahl der Spalten in jedem Block verändert. Beispielsweise sind bei dem Abstand 1 300 (3A) 5 Spalten an und 5 Spalten aus. Bei dem Abstand 2 304 (3B) sind 4 Spalten an und 4 Spalten aus. Bei dem Abstand 3 (3C) sind 3 Spalten an und 3 Spalten aus.
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Bezug nehmend auf 4A–4C, können die DMD-Pixel auch derart adressiert werden, dass sie die Phase des Streifenmusters ändern. Bei dem Beugungsgitter-Beispiel kann die Phase durch Verschieben des Musters nach rechts oder links verändert werden. Bei den in 4A–4C dargestellten Beispielen wird das Muster von AN- und AUS-Spalten nach rechts verschoben, und zwar beginnend mit dem Muster 400 von 4A, fortsetzend mit dem Muster 404 von 4B und endend mit dem Muster 408 von 4C. 4A–4C zeigen einen zweispaltigen Schritt für ein Muster, das 12 Pixel breit ist (6 AN, 6 AUS). Dies würde eine Phasenverschiebung von 60° bei der Beugungsordnung +1 und eine Phasenverschiebung von –60° bei der Beugungsordnung –1 oder eine relative Phasenverschiebung von 120° bewirken. Die Veränderungen des Gitterabstands (3A–3C) oder der Gitterphase (4A–4C) können bei der maximal adressierbaren Frequenz der DLP®-Vorrichtung 224 auftreten (d. h. bei 30 kHz oder höher).
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Das Beugungsgitter/holographische Gitter wird wegen der diskreten Natur der DMD-Anordnung 224 gepixelt. Bei dem Beugungsgitter-Beispiel ist der Gitterabstand eine gerade ganze Zahl von Spalten. Dies begrenzt die möglichen Gitterabstände. Die Begrenzung kann Projektoren beeinträchtigen, die ein ganzzahliges Verhältnis von Gitterabständen benötigen. Es gibt auch eine durch die Phasenverschiebung auferlegte Begrenzung. Wenn eine Verschiebung von 120° gewünscht wird, dann muss der Abstand ein Vielfaches von 6 Spalten betragen. Wenn unterschiedliche (aber bekannte) Phasenverschiebungen annehmbar sind, dann erledigt sich diese Frage.
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Gitterperioden werden bei einer Ausgestaltung so ausgewählt, dass sie Vielfache von 6, 12, 18, 24 usw. sind. Diese können alle um 1/6 des Musters verschoben werden, um eine Phasenverschiebung von 120° zu erzeugen. Bei einer anderen Ausgestaltung werden Gitterperioden ausgewählt, die keine Vielfache von 6 sind, und Phasen derart verschoben, dass sie einem Sechstel der Gitterperiode so nahe wie möglich kommen. Beispielsweise kann eine 13-Pixel-Periode um 2 und dann 4 Pixel verschoben werden, um Phasenverschiebungen von 0°, 111° und 222° zu erhalten. Die Berechnung der gefalteten Phase (wrapped phase) berücksichtigt diese spezifischen Phasenverschiebungswerte. Bei dieser Ausgestaltung kann die diophantische Methode verwendet werden. Wenn der Pixelabstand in der DLP®-Vorrichtung 224 beispielsweise 10 Mikrometer beträgt, können Gitterabstände von 23, 20 und 18 Pixeln so ausgewählt werden, dass sie den Verhältnissen 8:7 und 10:9 nahe kommen. Die Phasenverschiebungen betragen 125° bei Kanal 1 (4-Pixel-Verschiebung), 108° bei Kanal 2 (3-Pixel-Verschiebung) und 120° bei Kanal 3 (3-Pixel-Verschiebung).
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Es ist ebenfalls möglich, mehr als drei Phasenverschiebungen zu verwenden – beispielsweise vier, fünf oder noch mehr Phasenverschiebungen. Zusätzliche Phasenverschiebungen gestatten, dass andere Muster verwendet werden können. Ein Gitter mit einer Periode von 8 Pixeln kann zum Beispiel Verschiebungen von 1, 2 und 3 Pixeln aufweisen, um Phasenverschiebungen von 90°, 180° und 270° zu erzeugen.
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Die DMD 224 kann bei einer anderen Ausgestaltung durch einen anderen Typ eines räumlichen Lichtmodulators (SLM) ersetzt werden, für welchen die DMD 224 ein Beispiel ist. Der SLM kann derart benutzt werden, dass er die oben bei der DMD beschriebene Intensität variiert. Einige SLM-Typen können in einem „Nur-Phase”-Modus verwendet werden, bei welchem die Phase – statt der Intensität – des reflektierten Lichts verändert wird. Ein SLM, der in dem „Nur-Phase”-Modus benutzt wird, wirkt als ein Phasengitter, das es ermöglicht, dass 100% des auf das Objekt projizierten Lichts statt der 50% des Lichts wie im Falle einer DMD-Vorrichtung gemessen werden. Ein Nachteil eines SLM, der keine DMD ist, ist die relativ langsame Schreibzeit. Die Wiederholfrequenz beträgt 10–30 Hz im Vergleich zu den 30 kHz bei der DMD 224.
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Bei einer anderen Ausgestaltung wird ein SLM, der kein DMD-Typ ist, im Transmissionsmodus statt im Reflexionsmodus verwendet. Zu den Beispielen für Unternehmen, die Nicht-DMD-SLMs vertreiben, zählen Hamamatsu (http://sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/Icosslm.php); Boulder (http://www.bnonlinear.com/products/index.htm); und Meadowlark (http://www.meadowlark.com/products/slmLanding.php).
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Die Lichtquelle kann bei einer anderen Ausgestaltung gestrobt (in definierten Intervallen an- und ausblinken gelassen) werden. Dies ist unter Umständen erforderlich, wenn für die DMD bzw. den SLM ein Bild wiederholt werden muss. Wenn der SLM beispielsweise Zeit benötigt, um das Flüssigkristall von einem Zustand in einen anderen umzuändern, kann die Lichtquelle abgeschaltet werden, während der SLM die Änderung durchführt, und dann wieder eingeschaltet werden, wenn er fertig ist. SLMs benötigen normalerweise 10–100 msec für das Umschalten.
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Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung stellen gegenüber Konstruktionen des Stands der Technik wie beispielsweise denen von 1 mehrere Vorteile bereit, die folgende umfassen: den Wegfall von relativ teuren Translationstischen und mehrfachen optischen Systemen, das relativ schnellere Umschalten der Gittermusterphase sowie die Erzeugung von relativ komplizierteren Beugungsmustern, die auf das Objekt zu projizieren sind, dessen 3D-Kontur zu messen ist.
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Obwohl bevorzugte Ausgestaltungen gezeigt und beschrieben wurden, können verschiedene Modifikationen und Ersetzungen daran vorgenommen werden, ohne dabei von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Es versteht sich demgemäß, dass die vorliegende Erfindung anhand von Veranschaulichungen und nicht als Einschränkung beschrieben wurde.
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Die vorliegend offenbarten Ausgestaltungen sind daher in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht als einschränkend aufzufassen, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und nicht durch die vorangehende Beschreibung angegeben ist und alle Änderungen, welche innerhalb der Bedeutung und des Äquivalenzbereichs der Ansprüche liegen, demnach darin umfasst sein sollen.
