DE19519520A1

DE19519520A1 - Phase position of all points in strip pattern Determination and reproduction method pin real=time

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Publication number: DE19519520A1
Application number: DE1995119520
Authority: DE
Inventors: Thomas Wolf; Matthias Ottenberg; Ralf Lichtenberger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-06-02
Filing date: 1995-06-02
Publication date: 1996-12-05

Abstract

The method involves using an analogue signal without prior digitalisation results for a phase determination using a phase locked loop circuit (50) provided with electrical components. An analogue sensor signal can be digitalised for the phase determination, and the PLL circuit results using a computer simulation of the electrical components of the PLL circuit. The PLL circuit is applied together with the Fourier transformation method or a phase stepper method, according to the foregoing claims. With a PLL circuit for phase determination, the contour representation and the contour measurement of an object is facilitated in real time.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Echtzeitbestimmung der Phasenlage von Streifenmustern, aus der als Träger einer Verformungs-, Dehnungs- oder Konturinformation durch die Bestimmung der Phasenlage jedes einzelnen Punktes zu einander als auch gemeinsamem Vergleich gegenüber einer Referenzphase die Dehnung, Verformung oder Kontur von Objekten in Echtzeit bestimmt wird. Die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik kommen besonders stark bei den Konturmeßverfahren mit Streifenprojektion zum Ausdruck, so daß sich das Ausführungsbeispiel auf diesen Anwendungsfall beschränkt.The invention relates to a method and a device for real-time determination of the Phase position of stripe patterns, from which as a carrier of a deformation, expansion or Contour information by determining the phase position of each individual point each other as well as a common comparison compared to a reference phase Deformation or contour of objects is determined in real time. The advantages of Invention over the prior art come particularly strong in the Contour measurement method with stripe projection expressed so that the Embodiment limited to this application.

In der optischen Meßtechnik sind bei vielen Meßsystemen Streifenmuster Träger der ge suchten physikalischen Meßgröße, wobei letztere nach bzw. bei erfolgter Messung erst durch eine Analyse des betreffenden Streifenmusters gewonnen werden kann. Die in den zu analysierenden Streifenmustern vorhandene ortsabhängige Grauwertverteilung läßt sich durch periodische Funktionen beschreiben. Dadurch ist jeder Punkt in einem Streifenmuster eindeutig durch seine Phasenlage bestimmt. Durch die Bestimmung der Phase Phi(x, y) aus jedem Intensitätswert I(x, y) im Streifenbild läßt sich das Phasenbild bestimmen. Je nach Meßverfahren erhält man die gesuchte physikalische Meßgröße di rekt aus der Phasenbestimmung Phi(x, y) oder durch einen Vergleich mit einem Referenzphasenbild. Der Bestimmung von Phasenlagen Phi(x, y) aus Streifenbildern mit harmonischer Intensitätsverteilung kommt daher bei der Meßauswertung größte Bedeutung zu.In optical measurement technology, stripe patterns are the carrier of many measurement systems were looking for physical measured variable, the latter only after or after measurement can be obtained by analyzing the stripe pattern in question. The in the existing location-dependent gray value distribution to be analyzed leaves stripes describe themselves through periodic functions. This means that every point is in one Stripe pattern clearly determined by its phase position. By determining the Phase Phi (x, y) from each intensity value I (x, y) in the stripe image can be the phase image determine. Depending on the measuring method, the physical quantity di is sought directly from the phase determination Phi (x, y) or by comparison with one Reference phase image. The determination of phase positions Phi (x, y) from strip images with harmonic intensity distribution is therefore greatest in the measurement evaluation Meaning too.

Beim sogenannten Skeletonizing werden die Punkte gleicher Phase miteinander ver knüpft, wobei sich Gruppen aus phasengleichen Punkten vorzugsweise jeweils um das Vielfache des Faktors Pi unterscheiden. Aus dem kontinuierlich scheinenden Streifenbild in Grauwertdarstellung erhält man so ein binäres Skelettbild, das durch die Reduzierung auf bestimmte Phasenwerte (z. B. Maxima und Minima der Streifen) übersichtlicher wird. Zwischenphasenwerte gewinnt man aus der Interpolation zwischen benachbarten Skelettlinien. Verrauschte Grauwertbilder führen zu Fehlern bei der Skelett-Methode, er fordern aufwendige Analysealgorithmen und benötigen durch die interaktive Vorgehensweise einen erfahrenen Anwender.In so-called skeletonizing, the points of the same phase are linked together ties, groups of in-phase points preferably each around the Differentiate multiples of the factor Pi. From the continuous striped image in a gray scale display, a binary skeleton image is obtained, which is due to the reduction to certain phase values (e.g. maxima and minima of the strips) becomes clearer. Interphase values are obtained from the interpolation between neighboring ones Skeletal lines. Noisy gray scale images lead to errors in the skeleton method, he require complex analysis algorithms and require interactive ones Procedure an experienced user.

Eine Alternative der Phasenanalysetechnik mit Hilfe der Skelett-Methode stellt die Fouriertransformationsmethode nach T. Kreis, K. Roesener u. W. Jüptner, "Holographisch interferometrische Verformungsmessung mit dem Fourier-Transformationsverfahren", Laser 87, Optoelektronik in der Technik dar. Aus einer Fouriertransformation des Streifenbildes mit nachfolgender unsymetrischer Filterung des Amplitudenspektrums im Fourierraum und abschließender Rücktransformation erhält man ein durch eine kom plexe Funktion beschreibbares Streifenbild. Der Quotient aus Imaginär-und Realteil die ser Funktion liefert den Tangens der gesuchten Phase, d. h. die gesuchte Phase selbst er hält man nur als Hauptwert des Arkustangens im Intervall [-Pi, Pi]. Die im Intervall 2Pi dadurch auftretenden Unstetigkeiten liefern das Phasenbild als Sägezahnbild, das erst durch den Phasenentfaltungsprozeß zum stetigen und damit meßtechnisch weiterverwert baren Phasenbild führt. Allerdings erfordert die Methode ein genaues und dem Meßpro blem angepaßtes Design der benützten Filtermaske, um die Phase auf 1/10 Pi exakt zu messen.An alternative to phase analysis technology using the skeleton method is the Fourier transformation method according to T. Kreis, K. Roesener u. W. Jüptner, "Holographic interferometric deformation measurement with the Fourier transformation method ", Laser 87, optoelectronics in technology. From a Fourier transform of Strip image with subsequent asymmetrical filtering of the amplitude spectrum in the Fourier space and final inverse transformation are obtained by a com plexe function writable strip image. The quotient of the imaginary and real part This function returns the tangent of the phase sought, i.e. H. the phase he is looking for is only held as the main value of the arctangent in the interval [-Pi, Pi]. The in the interval 2Pi discontinuities that arise thereby supply the phase image as a sawtooth image, the first through the phase development process for continuous and thus further measurement technology leads phase picture. However, the method requires an exact and the measurement pro blem adapted design of the filter mask used to the phase to 1/10 Pi exactly measure up.

Methoden, die, wie die oben vorgestellten, mehrere mathematische Filteroperatio nen(Fouriertransformationen) zur Phasenfeldbestimmung erfordern, sind im Bereich der statischen bzw. quasistatischen Messungen aufgrund des hohen numerischen Aufwandes durch die numerisch einfacheren Phasensampling-Methoden verdrängt worden, z. B. Phasenshift-Verfahren, die Phasengenauigkeiten von ca. 1/50 Pi ermöglichen. Beim Phasenshift-Verfahren (R. Dändiker, R. Tahlmann und J. F. Willemin, "Fringe Inter pretation by Two-Reference-Beam Holographic Interferography: Reducing Sensitivity to Hologram Misaglignment", Opt. Comm. 41, 5.301ff (1982); B. Breuckmann, "Ein Gerätesystem für die rechnergestützte optische Meßtechnik", VDI-Berichte 617, Laserm eßtechnik, S. 245-254) werden nacheinander phasenverschobene Bilder in den Rechner über eine Videokamera eingelesen. Zu beachten ist, daß mindestens drei Intensitätsbilder zur Berechnung der Phase Phi(x, y) benötigt werden und daß Beleuchtungsverhältnisse und gesuchte physikalische Meßgröße über den Aufnahmezeitraum konstant gehalten werden müssen. Numerisch schnell durchführbare Additionen und Subtraktionen mit den phasengeschobenen Intensitätsbildern führen wie bei der Fouriertrans formationsmethode zum Tangens der Phase Phi(x, y). Die nachfolgend benötigte Entfaltung der nur im Intervall [-Pi, Pi] stückweise stetigen Funktion zur Gesamtphase Phi(x, y) stellt jedoch bei Bildern mit schlechtem Streifenkontrast, Rauschen, Reflektionen und nichtsinusförmigem Streifenverlauf hohe Anforderungen an den Entfaltungs algorithmus. Neben aufwendigen Filteralgorithmen bei Intensitätsbildern oder/und Sägezahnbildern, Detektion und Umgehung informationsarmer Bereiche und Inkonsistenzstellenanalyse wurden in neuster Zeit auch neuronale Netze und Fuzzy- Logic eingesetzt. Nachteilig bei den Phasensampling-Methoden ist, daß sich die Oberflächengestalt während der Meßzeit nicht verändern darf, so daß dynamische Verformungmessungen nicht möglich sind.Methods that, like those presented above, have multiple mathematical filtering operations (Fourier transforms) for phase field determination are in the range of static or quasi-static measurements due to the high numerical effort has been displaced by the numerically simpler phase sampling methods, e.g. B. Phase shift process that enables phase accuracies of approx. 1/50 Pi. At the Phase shift method (R. Dändiker, R. Tahlmann and J. F. Willemin, "Fringe Inter pretation by Two-Reference-Beam Holographic Interferography: Reducing Sensitivity to Hologram Misaglignment ", Opt. Comm. 41, 5,301ff (1982); B. Breuckmann," Ein Device system for computer-aided optical measurement technology ", VDI reports 617, Laserm Eßtechnik, pp. 245-254) are successively phase-shifted images in the computer read in via a video camera. It should be noted that at least three intensity images to calculate the phase Phi (x, y) are needed and that lighting conditions and the physical quantity sought is kept constant over the recording period Need to become. Numerically quick additions and subtractions with lead the phase-shifted intensity images as with the Fouriertrans Formation method for the tangent of the phase Phi (x, y). The one needed below Development of the piecewise continuous function to the overall phase only in the interval [-Pi, Pi] However, Phi (x, y) represents images with poor stripe contrast, noise, reflections and non-sinusoidal stripe course high demands on the unfolding algorithm. In addition to complex filter algorithms for intensity images and / or Sawtooth images, detection and bypassing areas with little information and Inconsistency point analysis has also recently been used in neural networks and fuzzy Logic used. A disadvantage of the phase sampling methods is that the Surface shape must not change during the measuring time, so that dynamic Deformation measurements are not possible.

Je nach Aufgabenstellung werden beim derzeitigen Stand der Technik für statische Aufnahmen aufgrund der höheren Auswertegenauigkeit und dem geringeren Auswerteaufwand Phase-Stepping-Methoden angewandt. Bei nichtstatischen Vorgängen, die nur ein Intensitätsbild des Objektes ermöglichen, greift man zumeist auf die unge naueren Fouriertransformations-Methoden zurück. Alle bekannten Methoden, mit Ausnahme der Skelettmethode und des Verfahrens gemäß Anspruch 1, erfordern eine Lösung des Phasenentfaltungsproblems. Depending on the task, the current state of the art for static Recordings due to the higher evaluation accuracy and the lower Evaluation effort phase-stepping methods applied. For non-static processes, which only allow an intensity image of the object, is usually used on the unconscious detailed Fourier transform methods. All known methods with Except for the skeleton method and the method according to claim 1, require one Solution of the phase unfolding problem.

Das erfindungsgemäße Verfahren vereint die Vorteile der beiden derzeit angewandten Methoden bei gleichzeitiger Vermeidung derer Nachteile. Möglich wird dies durch eine gänzlich neue Art der Phasenbestimmung, die auf einfache Weise optische Meßinformationen mit Lösungsprinzipien der analogen Rundfunktechnik verknüpft, wie sie z. B. in jedem Autoradio angewandt werden. Durch den Verzicht auf die Digitalisierung des Intensitätsbildes kann auf aufwendige Rechnerhardware und Algorithmen gänzlich verzichtet werden. Das Ergebnis verfälschende und die Berechnung verzögernde digitale Filtermasken werden nicht benötigt. Die Genauigkeit der Phasenbestimmung wird nicht durch die begrenzte Auflösung eines Bilddigi talisierers eingeschränkt.The method according to the invention combines the advantages of the two currently used Methods while avoiding their disadvantages. This is made possible by a completely new type of phase determination, which is simple optical Measurement information linked to solution principles of analog radio technology, such as they z. B. can be used in any car radio. By waiving the Digitization of the intensity image can be done on complex computer hardware and Algorithms are completely dispensed with. The result falsifying and the Delaying digital filter masks are not required. The precision the phase determination is not due to the limited resolution of a picture digi talisierers restricted.

Ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren ist die Anwendung der PLL-Schaltung auf das Streifenprojektionsverfahren zur Vermessung von Objektkonturen in Echtzeit. Der Anwendungsbereich des durch die PLL-Schaltung ergänzten Streifenprojek tionsverfahrens erstreckt sich dabei von der Medizintechnik über die Produktions kontrolle bis hin zur Verformungsanalyse im Bereich der Werkstoffuntersuchungen. Mittels eines Verfahrens und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art werden Oberflächen und deren Verformung in Beobachtungsrichtung gemessen. Für eine Anwendung in der Medizintechnik lassen sich so beispielsweise durch Atmungsvorgänge hervorgerufene Brustkorbwölbungen in Echtzeit darstellen und dokumentieren. Die Möglichkeit, Kurzzeitmessungen an sich bewegenden Oberflächen durchführen zu können, ermöglicht so die Vermessung von Körperteilen auch unruhiger Patienten, so daß Gipsabdrücke oder narkotisierende Maßnahmen bei Kleinkindern vermieden werden können.A preferred method according to the invention is the use of the PLL circuit to the stripe projection method for measuring object contours in real time. The scope of the strip project supplemented by the PLL circuit process extends from medical technology to production control up to deformation analysis in the area of material testing. By means of a method and a device of the type mentioned at the beginning Surfaces and their deformation measured in the direction of observation. For one Use in medical technology can be done, for example, through breathing processes Display and document chest arches in real time. The Possibility to take short-term measurements on moving surfaces enables the measurement of parts of the body also for restless patients that plaster casts or anesthetic measures in small children are avoided can.

Der Anwendungsbereich des geschilderten Verfahrens erstreckt sich von der mikrosko pischen Betrachtung bis hin zu Objekten im Meterbereich. Die apparative Bestimmung der Konturen eines Objektes erfolgt dabei vorzugsweise unter Verwendung von struktu rierter Beleuchtung entsprechend einem oder mehrerer der folgenden Verfahren:The scope of the described method extends from the mikrosko from a specimen to objects in the meter range. The apparatus determination The contours of an object are preferably made using struktu dated lighting according to one or more of the following methods:

From US 4,641,972 a method is known in which a sinusoidal Grid is projected onto the object and the object is observed at an angle. A deformed grating image of the object is detected by means of a detector arrangement Receive a number of different modulated phases of the striking light beam. The The height of each point on the object surface becomes one from the phase difference Reference point determined point by point.
- According to US 4 802 759, the coordinates of object points can thereby be determined that a projection grid shines through with light and onto the object is formed. The resulting image of the projection grid on the object Pattern is imaged on an areal, spatially resolving sensor. The Coordinates of the object point are determined by triangulating the point from Projection grid and sensor determined from, with a single image on the sensor is taken.
US 4 564 295 discloses a method in which a grid is applied to the object is projected. The object is then imaged and overlaid with a reference grid gert so that as so-called contour lines of the object corresponding Moir lines arise. The reference grid is used to evaluate the stationary contour lines on the Object is moved or the projection grid and reference grid are moved synchronously. Basically, using the Moir´ technique and with projected lines the three-dimensional geometry of an object surface can be determined (Takasaki, H .: Moir´ Topography, Applied Optics, Volume 9, No. 6, 1970, pages 1457-1472)
From US 4 212 073 a method is known in which a sinusoidal Grid is written in three steps each for a quarter of the grid that Image of the surface is captured and saved for each step. The process suffers under the described disadvantages of phase shift technology.
- In US 4,349,277 colored grids with at least two different Wavelengths projected onto the object. The recording takes place via color filters Wavelength selection on two rows of diodes. Equidistant grids in different Colors that are shifted to each other are projected in parallel. The evaluation he follows on the ratio of the intensities of the colors.

Weitere bevorzugte erfindungsgemäße Verfahren sind Anwendungen der PLL-Schaltung in der Verformungsanalyse, die mit interferometrischen Meßverfahren wie der Elektronen-Speckle-Pattern-Interferometrie (ESPI), beispielsweise beschrieben in der Schrift DE 41 02 881 oder Shearographie, erstmals erwähnt von Hung in Applied Optics, Vol 18, Nr 7, (1979). durchgeführt werden. Numerische Auswertungen der die gesuchte Meßgröße enthaltenden Streifenmuster erfolgen beim derzeitigen Stand der Technik mit den Phasensampling und Fouriertransformationsmethoden. Der Einsatz der PLL- Schaltung zur Streifenanalyse ermöglicht die Echtzeitfähigkeit dieser Verfahren. Dabei kann die PLL-Schaltung bei der Streifenauswertung die herkömmlichen Streifen analysemethoden ersetzen oder hilfreich ergänzen. Eine Kombination der PLL-Schal tung mit den bisher bekannten oben beschriebenen Phasenanalysemethode ist vor allem dort sinnvoll, wo die Phasenentfaltungprobleme bereitet. Die PLL-Schaltung hat dann die Aufgabe, Informationen für den Phasenentfaltungsprozeß bereitzustellen.Further preferred methods according to the invention are applications of the PLL circuit in deformation analysis using interferometric measuring methods such as the Electron speckle pattern interferometry (ESPI), for example described in the DE 41 02 881 or shearography, first mentioned by Hung in Applied Optics, Vol 18, No. 7, (1979). be performed. Numerical evaluations of the searched In the current state of the art, stripe patterns containing the measured variable are also used the phase sampling and Fourier transform methods. The use of the PLL Circuit for circuit analysis enables the real-time capability of these methods. Here the PLL circuit can use conventional strips for strip evaluation Replace analytical methods or add helpful ones. A combination of the PLL scarf device with the previously known phase analysis method described above is above all makes sense where the phase unfolding presents problems. The PLL circuit then has the task of providing information for the phase unfolding process.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, durch eine elektronische Schaltung die Auswertung von Streifenmustern in Echtzeit durchzuführen und somit die Anwendung von Streifenprojektions-, Moir´musterverfahren und interferometrischen Verfahren bei dynamischen und Kurzzeitmessungen zu ermöglichen. Diese Aufgabe ist durch die Erfindung bei einem Verfahren und einer Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 12 gelöst. Durch die einfache Zwischenschaltung der PLL-Schaltung in den Signalweg zwischen Sensor und Auswerteeinheit und den kompakten eigenständige Aufbau ist die Nachrüstung bei den meisten bestehenden Meßsystemen problemlos möglich. Bei Meßsystemen in denen ein Streifenmuster erst durch die rechnerische Verknüpfung von Bildern entsteht, muß der PLL eine entsprechende analoge oder digi tale Recheneinheit vorgeschaltet werden.The invention is therefore based on the object by an electronic circuit Evaluation of stripe patterns in real time and thus the application of fringe projection, moir 'pattern and interferometric methods enable dynamic and short-term measurements. This task is through the Invention in a method and an apparatus with the features of Claims 1 to 12 solved. By simply interposing the PLL circuit in the signal path between the sensor and evaluation unit and the compact independent The retrofitting of most existing measuring systems is straightforward possible. In measuring systems in which a stripe pattern is only calculated Linking of images occurs, the PLL must have a corresponding analog or digi tal arithmetic unit upstream.

Beim Streifenprojektionsverfahren wird vom Sensor aufgrund der strukturierten Beleuchtung des Objektes bereits ein streifenmoduliertes Bildsignal geliefert. Das für diese Art von strukturierter Beleuchtung erforderliche Projektionsgitter selbst kann eine sinusförmige oder rechteckförmige Transparenz aufweisen. Auch andere periodische Projektionsgitter-Transparenzen sind möglich, beispielsweise rampenförmige, dreieckige oder sonstige geometrische Transparenzen. Als Projektionsgitter dienen geeignet belich tete Filmplatten oder Dias, die durch einstellbare Masken, beispielsweise rechnergesteu erte Flüssigkristall-Display-Masken, deren Gitterkonstante, Intensitätsverlauf und Gitterorientierung beliebig und auf einfach Weise eingestellt werden kann oder die durch miteinander auf dem Objekt interferierende Wellenzüge gebildet werden. Vorzugsweise wird das Projektionsgitter von einem Streifendia gebildet.In the case of the strip projection method, the sensor is based on the structured Illumination of the object already delivered a stripe-modulated image signal. That for this type of structured lighting itself can be a projection screen have sinusoidal or rectangular transparency. Other periodic ones too Projection grid transparencies are possible, for example ramp-shaped, triangular ones or other geometric transparencies. Suitably illuminate serve as projection grids tete film plates or slides through adjustable masks, for example computer-controlled liquid crystal display masks, their lattice constant, intensity curve and Grid orientation can be set arbitrarily and easily or through interfering wave trains are formed on the object. Preferably the projection grid is formed by a strip slide.

Abbiidungsfehler führen zu nicht unerheblichen Höhenfehlern, die bei der Berechnung der Konturinformation aus dem Phasenbild bei bekannter Kalibrierung des Meß volumens rechnerisch korrigiert werden können. Problematisch ist diese Vorgehensweise in Fällen, bei denen die durch Abbildungsfehler hervorgerufene Konturänderung größer als die Kontur selbst ist. Eine Lösung dieses Problems bietet sich durch eine die Abbildungsfehler enthaltende und dadurch fehlerkompensierende strukturelle Beleuchtung an. Abbildungsfehler sowie Divergenzen im Projektions- und Aufnahmesystem führen dazu, daß die Projektion eines äquidistanten Streifenmusters auf eine senkrecht zur Aufnahmerichtung stehende Ebene verzerrt wird, d. h. die Streifenabstände sind nicht mehr konstant. Eine fehlerkompensierende strukturelle Beleuchtung ermöglicht so die Aufnahme eines äquidistanten Streifenmusters. Unter suchungen zur Maßhaltigkeit oder Verformungsanalyse im Rahmen der Qualitäts sicherung lassen sich durch diese Kompensationsmessungen mit hoher Genauigkeit durchführen.Imaging errors lead to significant height errors in the calculation the contour information from the phase image with known calibration of the measurement volume can be corrected arithmetically. This procedure is problematic in cases where the contour change caused by aberrations is larger than the contour itself is. A solution to this problem is offered by the Structural errors that contain aberrations and thus compensate for errors Lighting on. Imaging errors and divergences in the projection and Recording system lead to the projection of an equidistant stripe pattern a plane perpendicular to the recording direction is distorted, d. H. the Strip spacing is no longer constant. An error-compensating structural Lighting enables the recording of an equidistant stripe pattern. Under searches for dimensional accuracy or deformation analysis within the framework of quality These compensation measurements can be secured with high accuracy carry out.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit dadurch gekennzeichnet, daß das auf das Objekt aufprojizierte Streifenmuster oder durch Überlagerung mit einem Referenzgitter entstehende Moir´muster von einem Flächen- oder Zeilensensor erfaßt und zur Streifenmusteranalyse einer PLL-Schaltung zugeführt wird, die in Echtzeit die Phasenlage der Streifen ermittelt, in dem die Abweichungen des detektierten Streifenmusters zu einer, wie z.B: bei der Frequenz-demodulation in der Radiotechnik üblichen, Trägerfrequenz bestimmt wird. Als Voraussetzung für die Gültigkeit der mit tels PLL gewonnenen Phaseninformation ist der auf das Eingangsignal eingerastete Zustand der PLL.The inventive method is thus characterized in that the Object-projected stripe patterns or by overlaying with a reference grid the resulting moir pattern is detected by a surface or line sensor and used for Stripe pattern analysis is fed to a PLL circuit that real time The phase position of the stripes is determined in which the deviations of the detected Strip pattern to one, such as in frequency demodulation in radio technology usual, carrier frequency is determined. As a prerequisite for the validity of the with The phase information obtained from the PLL is that which is locked onto the input signal State of the PLL.

Ein weitere vorteilhafte Ausführung des Verfahrens auf die Anspruch erhoben wird ist eine zusätzliche Aufbereitung des Eingangssignals der PLL zur Verbesserung des Einrastverhaltens. Durch die Verkürzung der für PLL-Regelkreise typischen Einrast dauer wird der Bereich der gültigen Phaseninformation im Ausgangssignal der PLL ver größert. Dies kann erfindungsgemäß dadurch erfolgen, daß vor dem eigentlichen Meßsignal ein darauf angepaßtes Einrast-Signal der PLL derart zugeführt wird, daß der Regelkreis schon zu Beginn des eigentlichen Meßsignals eingerastet ist. Als Infor mationsträger für die Frequenz des Einrast-Signals kann ein vorangegangenes Meßsignal benutzt werden. Bei der Benutzung eines flächenhaft auflösenden CCD-Sensors und zweimaliger, in der Richtung unterschiedlicher, Auslesung der Meßinformation aus dem CCD-Zeilen, kann das erste Auslesesignal als Einrast-Signal benutzt werden. Bei einer erfindungsgemäßen Alternative, der mäanderförmigen Auslesung, werden die Zeileninformationen benachbarter Zeilen abwechselnd in unterschiedlichen Richtungen ausgelesen. Da sich die Phaseninformation benachbarter Punkte in übereinanderliegenden Zeilen nur gering unterscheiden, ist der eingerastete Zustand der PLL bis auf den Beginn jedes Bildes permanent gewährleistet. Eine weitere erfin dungsgemäße Alternative ist die Benutzung zweier miteinander zeilensynchronisierten flächenhaften CCD-Sensoren, deren Ausleserichtung in den Zeilen gerade invertiert ist, wobei deren Meßinformationen von zwei unabhängigen PLL-Regelkreisen ausgewertet und anschließend zur Gesamtinformation verknüpft werden. Die Verknüpfung beider Auswertesignale erfolgt derart, daß die jeweils gültige Phaseninformation erhalten und die durch die Einrastvorgänge verursachten Auswertefehler eliminiert werden.Another advantageous embodiment of the method to which a claim is made is an additional processing of the input signal of the PLL to improve the Locking behavior. By shortening the click typical for PLL control loops duration is the range of valid phase information in the output signal of the PLL ver enlarged. This can be done according to the invention in that before the actual Measuring signal, a snap-in signal adapted to the PLL is fed such that the Control loop is already engaged at the beginning of the actual measurement signal. As information Mation carrier for the frequency of the locking signal can be a previous measurement signal to be used. When using an area-resolving CCD sensor and readout of the measurement information from the CCD lines, the first read-out signal can be used as a snap-in signal. At a alternative according to the invention, the meandering reading, the Line information of neighboring lines alternately in different directions read out. Since the phase information of neighboring points in Only slightly differentiate lines lying one above the other is the locked state of PLL guaranteed up to the beginning of each picture. Another invented alternative according to the invention is the use of two lines synchronized with one another areal CCD sensors, the reading direction of which is currently inverted in the lines, the measurement information is evaluated by two independent PLL control loops and then linked for overall information. Linking the two Evaluation signals take place in such a way that the respectively valid phase information is received and the evaluation errors caused by the snap-in processes are eliminated.

Bei dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann somit auf eine Digitalisierung des aufgenommenen Streifenmusters verzichtet werden. Die Höhe, als ge suchte physikalische Meßgröße, beim Streifenprojektionsverfahren erhält man direkt aus der Nachregelgröße der PLL-Schaltung. Durch das quasi zeitgleiche Vorliegen dieser Meßinformation mit dem 2D-Bild des Objektes läßt sich z. B. in einer 2-Monitor- Anordnung gleichzeitig das Originalbild des Objektes auf Monitor 1 und die Höheninformation als Standardvideograuwertbild auf Monitor 2 darstellen. Bei einer weiteren vorteilhaften 1-Monitor-Variante des Verfahrens werden Originalbild und Höhenbild derart durch eine Videoschaltung zu zwei Bildern in Komplementärfarben gemischt, daß durch die Betrachtung des Objektes z. B. mit einer sogenannten Stereobrille für den Beobachter ein räumliches Bild des Objektes entsteht.In the method and the device according to the invention, digitization of the recorded stripe pattern can thus be dispensed with. The height, as ge sought physical parameter, in the fringe projection method is obtained directly from the readjustment variable of the PLL circuit. Due to the quasi-simultaneous presence of this measurement information with the 2D image of the object z. B. in a 2-monitor arrangement, simultaneously display the original image of the object on monitor 1 and the height information as a standard video gray-scale image on monitor 2 . In a further advantageous 1-monitor variant of the method, the original image and elevation image are mixed to form two images in complementary colors by a video circuit in such a way that by viewing the object z. B. creates a spatial image of the object for the observer with so-called stereo glasses.

Embodiment

Dieses Beispiel beschreibt anhand der Fig. 1 und 2 die Echtzeiterfassung der Kontur eines Objektes durch das Streifenprojektionsverfahren, wobei die Phasenbestimmung mit einer PLL-Schaltung erfolgt. Auf die Oberfläche eines zu vermessenden dreidimensiona len Objektes 2 wird unter Verwendung des Streifenprojektors 1 unter einem Winkel α zur Beobachtungsrichtung ein Streifenmuster projiziert. In der Beobachtungsrichtung wird der aufprojizierte Streifenverlauf durch die Objektkontur in seinem Streifenabstand und somit die Phasenlage der Konturpunkte moduliert. Das vom Objekt 2 reflektierte Licht gelangt auf den flächenhaft ortsauflösenden Sensor 31, der aus einem Abbildungsobjektiv und einem CCD-Kamerachip gebildet wird. Die von Sensor 31 de tektierten Lichtintensitäten werden von diesem in ein analoges Spannungssignal gewan delt. Der Meß-Sensor 31 stellt die flächenhaft gemessene Lichtintensität des Streifenbildes als zeitliche Folge der Spaltenintensitäten jeder Bildzeile zur Verfügung. Die Folge von Zeileninformationen eines Bildes ist durch horizontale Synchronisations impulse nach jeder Zeile und vertikale Synchronisationsimpulse zwischen letzter Zeile des vorangegangenen und erster Zeile des aktuellen Bildes getrennt. Durch die entsprechende Anordnung des optischen Aufbaus, wobei der auf das zu vermessende Objekt projizierte Streifenverlauf im Idealfall spaltenweise zum CCD-Sensor ausgerichtet ist, besteht das Meßsignal 32 aus einer durch die Kontur in ihrer Periodizität modulierten Funktion, die periodisch durch Synchronisationsimpulse (Zeilenende, Bildende) un terbrochen ist.This example describes with reference to FIGS. 1 and 2 the real-time detection of the contour of an object by means of the stripe projection method, the phase being determined using a PLL circuit. A striped pattern is projected onto the surface of a three-dimensional object 2 to be measured using the strip projector 1 at an angle α to the direction of observation. In the direction of observation, the projected strip shape is modulated by the object contour in its strip spacing and thus the phase position of the contour points. The light reflected by the object 2 reaches the spatially spatially resolving sensor 31 , which is formed from an imaging lens and a CCD camera chip. The light intensities detected by sensor 31 are converted into an analog voltage signal. The measuring sensor 31 provides the areally measured light intensity of the stripe image as a temporal sequence of the column intensities of each image line. The sequence of line information of an image is separated by horizontal synchronization pulses after each line and vertical synchronization pulses between the last line of the previous and the first line of the current image. Due to the corresponding arrangement of the optical structure, whereby the strip shape projected onto the object to be measured is ideally aligned in columns to the CCD sensor, the measurement signal 32 consists of a function modulated by the contour in its periodicity, which periodically by synchronization pulses (end of line, end of line ) is interrupted.

Die Aufgabe der Schaltung besteht in der Zuführung des eigentlichen Meßsignals eines PLL-Regelkreises 50 und der anschließenden Aufbereitung des im Regelkreis gewon nenen Phasendifferenz-Signals 61 in einen für die Weiterverarbeitung (Anzeige, Erfassung mit AD-Wandler, . . . ) günstigen Signalstandard, vorzugsweise dem CCIR- Video-Signal).The task of the circuit is to supply the actual measurement signal of a PLL control circuit 50 and the subsequent processing of the phase difference signal 61 obtained in the control circuit into a signal standard which is favorable for further processing (display, detection with AD converter,...), preferably the CCIR video signal).

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels. Die Realisierung der Schaltung erfolgt bis auf die Steuersignale in analoger Technik durch integrierte Bauteile wie Operationsverstärker, Komparator, Multiplizierer, VCO (Voltage-Controlled- Oscillator), Video-Synchronisations- Demodulator und elektronische Schalter und be steht aus Demodulator 40, Phase-Locked-Loop 50, Integrator 60 und Modulator 70. Die Kombination von Phase-Locked-Loop 50 und Integrator 60 dient der eigentlichen Phasenbestimmung. Fig. 1 shows the block diagram of the embodiment. Except for the control signals, the circuit is implemented in analog technology by integrated components such as an operational amplifier, comparator, multiplier, VCO (voltage-controlled oscillator), video synchronization demodulator and electronic switch and consists of demodulator 40 , phase-locked Loop 50 , integrator 60 and modulator 70 . The combination of phase-locked loop 50 and integrator 60 is used for the actual phase determination.

Eingang der Schaltung ist das Ausgangssignal 32 des Meß-Sensors 31 (eine CCD- Kamera mit CCIR-Standard-Ausgangsignal).The input of the circuit is the output signal 32 of the measuring sensor 31 (a CCD camera with a CCIR standard output signal).

Das Video-Signal 32 wird im Demodulator 40 dergestalt verarbeitet, daß das eigentliche Meßsignal 43 durch Separation der Video-Synchronisations-Impulse sowie des Schwarz- Pegels 41 (untere Schwelle des Meßsignals) extrahiert und das Steuersignal 42 generiert wird. Das im Demodulator 40 durch Schwellwertanalyse des Eingangssignals bezüglich eines auf dem Schwarzpegel referenzierten Signalpegels gewonnene Steuersignal 42 steuert die weitere Signalverarbeitung in der Schaltung. Besteht das Signal 32 aus Meß- Information, so definiert sich der Zustand von 42 zu "EIN" und das im Demodulator ex trahierte und amplitudenverstärkte Meßsignal 43 liegt am Eingang der Phase-Locked- Loop 50, d. h. an einem der beiden Eingänge des Multiplizierers 51. Das Produkt 52 aus den Signalen 43 und 59 beinhaltet nach der Tiefpaßfilterung 53 die zeitliche Änderung der Phasendifferenz zwischen dem im Demodulator extrahierten und aufbereiteten Meßsignal 43 und dem Ausgangssignal 59 des VCOs. Diese zeitliche Änderung des Phasendifferenz-Signals 54 wird vom VCO-Controller 55 dergestalt auf einen Abgleichpegel 56 moduliert, daß das VCO-Controller-Ausgangssignal 57 die Frequenz des VCOs 56 in die zur Phasendifferenz-Verringerung notwendige Richtung nachregelt. Durch diesen, für das Funktionsprinzip der PLL typischen, Regelmechanismus ist ge währleistet, daß das Ausgangssignal 59 des VCOs 58 stets phasenkorreliert zum Meßsignal 43 ist. Die für die Kompensation einer Phasendifferenz zwischen 43 und 59 erforderliche Steuerspannung 57 des VCOs ist die zeitliche Änderung der Phasen differenz, also der gesuchten Meßgröße. Während des Zustands "AUS" des Steuersignals wird der VCO durch Beschaltung mit einer entsprechenden Steuerspannung ausgeschaltet.The video signal 32 is processed in the demodulator 40 in such a way that the actual measurement signal 43 is extracted by separating the video synchronization pulses and the black level 41 (lower threshold of the measurement signal) and the control signal 42 is generated. The control signal 42 obtained in the demodulator 40 by threshold value analysis of the input signal with respect to a signal level referenced at the black level controls the further signal processing in the circuit. If the signal 32 consists of measurement information, the state of 42 is defined as "ON" and the measurement signal 43 extracted and amplified in the demodulator is at the input of the phase-locked loop 50 , ie at one of the two inputs of the multiplier 51 . After the low-pass filtering 53, the product 52 from the signals 43 and 59 contains the temporal change in the phase difference between the measurement signal 43 extracted and processed in the demodulator and the output signal 59 of the VCO. This temporal change in the phase difference signal 54 is modulated by the VCO controller 55 to an adjustment level 56 in such a way that the VCO controller output signal 57 adjusts the frequency of the VCO 56 in the direction necessary for reducing the phase difference. This control mechanism, which is typical of the functional principle of the PLL, ensures that the output signal 59 of the VCO 58 is always phase-correlated with the measurement signal 43 . The control voltage 57 of the VCO required for the compensation of a phase difference between 43 and 59 is the temporal change in the phase difference, that is to say the measured variable sought. During the "OFF" state of the control signal, the VCO is switched off by connecting it to an appropriate control voltage.

Die am Ausgang des Tiefpaß abgenommene zeitliche Änderung des Phasendifferenz- Signals wird im Integrator 60 beim Zustand "EIN" des Steuersignals 42 zur eigentlich gesuchten Größe, der Phasendifferenz 61, integriert. Während den Synchronisations impulsen im Video-Signal wird der Integrator durch den Zustand "AUS" des Steuersignals entleert und anschließend synchronisiert auf die erste Bildspalte jeder Zeile zu einem definierten Zeitpunkt die Integration mit dem Startwert Null begonnen.The temporal change in the phase difference signal, which is taken at the output of the low-pass filter, is integrated in the integrator 60 when the control signal 42 is in the "ON" state, to the actually sought variable, the phase difference 61 . During the synchronization pulses in the video signal, the integrator is emptied by the "OFF" state of the control signal and then the integration starts with the start value zero synchronized with the first image column of each line at a defined point in time.

Der Modulator 70, mit den Eingangssignalen Schwarzpegel 41, Steuersignal 42, Phasendifferenz 61 sowie dem ursprünglichen CCD-Kamera-Signal 32, generiert daraus ein CCIR-Standard-Video-Signal 71 als Ausgangssignal des Ausführungsbeispiels und somit als Träger der Phasendifferenz-Meßinformation. Der Modulator 70 ersetzt mit Hilfe des Steuersignals 42 die Meßinformation tragenden Teile des Eingangssignals 32 durch das an den Schwarzpegel 41 angepaßte und vom Modulator zusätzlich amplitu denkontrollierte Phasendifferenzsignal 61.The modulator 70 , with the input signals black level 41 , control signal 42 , phase difference 61 and the original CCD camera signal 32 , generates a CCIR standard video signal 71 as the output signal of the exemplary embodiment and thus as the carrier of the phase difference measurement information. With the aid of the control signal 42, the modulator 70 replaces the measurement information-carrying parts of the input signal 32 by the phase difference signal 61 which is adapted to the black level 41 and is additionally amplitude-controlled by the modulator.

Dadurch erfolgt die Phasendifferenz-Bestimmung in Video-Echtzeit und das Ausgangsignal 71 ist präzise zeitlich korreliert mit dem Kamera-Takt.As a result, the phase difference is determined in video real time and the output signal 71 is precisely correlated in time with the camera clock.

Der Abgleich des PLL-Regelkreises erfolgt so, daß ein Meßsignal konstanter Frequenz (z. B. erzeugt durch die Abbildung eines äquidistanten Streifenmusters auf den Sensor 31) eine zeitlich konstante Phasendifferenz (vorzugsweise identisch Null) er zeugt. Bedingt durch die Ungültigkeit der zeitlich veränderten Phasendifferenz während dem Einrastvorgang, also zu Beginn jeder Bildzeile, beginnt die Integration dieses zeit lich veränderten Phasendifferenz-Signals nicht in der ersten Spalte jeder Bildzeile son dern zeitlich versetzt später. Durch geeignete Dimensionierung des Regelkreises/el. Schaltung wird der Einrastvorgang auf einen minimalen Bruchteil des Bildes reduziert.The adjustment of the PLL control loop is carried out in such a way that a measurement signal of constant frequency (e.g. generated by the mapping of an equidistant stripe pattern on the sensor 31 ) generates a phase difference that is constant over time (preferably identical to zero). Due to the invalidity of the temporally changed phase difference during the snap-in process, i.e. at the beginning of each image line, the integration of this temporally changed phase difference signal does not begin in the first column of each image line but at a later time. By appropriate dimensioning of the control loop / el. Circuit, the snap action is reduced to a minimal fraction of the image.

Eine Verbesserung des Einrastverhaltens der PLL und somit eine Verkleinerung des fehlerbehafteten Bildausschnitts ist möglich durch die Zuführung eines frequenzkonstanten Signals während den Synchronisationsimpulsen auf den Eingang der PLL. Als Informationsträger für die Frequenz dieses Signals kann die Frequenz des Meßsignals in der vorangegangenen Bildzeile oder die VCO-Frequenz, die einem Steuersignal 54 von Null entspricht, herangezogen werden. Durch Verknüpfung zweier Phasensignale, die bei unterschiedlichen Ausleserichtungen der Spalteninformation mittels PLL bestimmt werden, kann der durch die Einrastvorgänge verursachte Fehler abgetrennt werden. Die technische Realisierung erfordert die Verknüpfung zweier unabhängiger CCD-Arrays, deren Meßsignale zeitlich korreliert von zwei PLL-Auswer teeinheiten bearbeitet werden bzw. die Benutzung eines in der Ausleserichtung steuerbaren CCD-Arrays in Kombination mit einem schnellen Zwischenspeicher für die aus einer Meßzeile erhaltene Information.It is possible to improve the latching behavior of the PLL and thus to reduce the size of the faulty image section by supplying a frequency-constant signal during the synchronization pulses to the input of the PLL. The frequency of the measurement signal in the previous image line or the VCO frequency, which corresponds to a control signal 54 of zero, can be used as information carrier for the frequency of this signal. The error caused by the snap-in processes can be separated by linking two phase signals, which are determined by means of PLL in the case of different readout directions of the column information. The technical implementation requires the connection of two independent CCD arrays, the measurement signals of which are processed in a time-correlated manner by two PLL evaluation units or the use of a CCD array which can be controlled in the readout direction in combination with a fast buffer store for the information obtained from a measurement line.

Das mäanderförmig gesteuerte Auslesen eines CCD-Arrays, evtl. kombiniert mit der Zuführung eines Signals mit vorangegangener Meßfrequenz an den PLL-Eingang wäh rend der Synchronisationsimpulse, vermeidet weitere phasenfehlerverursachende Einrastvorgänge.The meandering controlled reading of a CCD array, possibly combined with the Feed a signal with a previous measuring frequency to the PLL input rend the synchronization pulses, avoids further phase error-causing Snapping.

Claims

1. Method for determining and displaying the phase position of all points in a strip pattern in real time, characterized in that the phase determination is carried out with a phase-locked loop circuit, which enables the contour representation and contour measurement of an object in real time.

2. The method according to claim 1, characterized in that for the Phase determination of an analog sensor signal without prior digitization by a Phase-locked loop circuit realized from electronic components.

3. The method according to claim 1, characterized in that for the Phase determination of an analog sensor signal is digitized and the PLL circuit by means of a computer simulation of the electrical components of a phase-locked loop Circuit takes place.

4. The method according to one or more of the preceding claims, since characterized in that the PLL circuit together with the Fouriertrans formation method or a phase stepping method is used.

5. The method according to one or more of the preceding claims, since characterized in that with the PLL circuit for phase determination Contour representation and contour measurement of an object in real time is made possible.

6. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the PLL circuit for phase determination at

- fringe projection method,
- Moir method,
- ESPI procedure.
- shearography
- holographic interferometry
- or a combination of these methods is used.

7. The method according to one or more of the preceding claims, since characterized in that turned on for the PLL circuit for phase determination set structured lighting aberrations to be compensated.

8. The method according to one or more of the preceding claims, since characterized in that turned on for the PLL circuit for phase determination structured lighting enables measurements based on the compensation principle.

9. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the locking behavior of the PLL by

- Generation of a lock signal or
- Reading a line twice, the reading direction being inverted the second time or
- meandering reading of the flat CCD sensor or
- Two line-synchronized sensors, the reading direction of which is vertically aligned in the lines.

10. Apparatus for performing the method according to claim 1, consisting of

at least one lighting source 1,
- a device for carrying out a strip projection or Moir´ method
- at least one sensor ( 31 ),
- a PLL circuit
- at least one monitor
- A digital computer with digitizing unit.

11. An apparatus for performing the method according to claim 1, consisting of

- an ESPI structure
- at least one sensor ( 31 ),
- a PLL circuit
- at least one monitor
- A digital computer with digitizing unit.

12. The apparatus for performing the method according to claim 1, consisting of

- a Michelson interferometer or shearography setup
- at least one sensor ( 31 ),
- a PLL circuit
- at least one monitor
- A digital computer with digitizing unit.