DE19608632A1 - Device and method for the optical scanning of surfaces - Google Patents

Device and method for the optical scanning of surfaces

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Abstract

A device for optically scanning a surface is provided in the customary way with a projection device (4) for projecting a light beam (9, 12, 16) onto the surface (3) and a viewing device (5) for viewing the light (12) projected onto the surface at an angle to the projection device. To improve the scanning speed and accuracy and create a flexible all-purpose scanning device, the projection device (4) is provided with a mirror chip (10), e.g. of the DMD (digital micromirror device) type, for controlled deflection of the light beam (9).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Abtastung von Oberflächen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 9.The invention relates to an apparatus and a method for optical scanning of surfaces after The preamble of claim 1 and claim 9.

Ein derartiges Verfahren ist allgemein unter den Begriffen Triangulation, Streifenlichtprojektion, Binär-Code- Verfahren oder Moir´-Verfahren bekannt. Bei den letzteren drei Verfahren wird ein auf die abzutastende bzw. zu messende Oberfläche ein Streifenmuster projiziert und von einer CCD-Kamera betrachtet. Durch Projektion verschiedener Phasenlagen (Phasenshift) bzw. unterschiedlicher Gitterkonstanten kann eine Information über die räumliche Lage jedes einzelnen Punktes der Oberfläche gewonnen werden.Such a process is generally under the terms Triangulation, strip light projection, binary code Process or Moir´ process known. With the latter three methods will be one to be scanned or to measuring surface projected a striped pattern and from viewed with a CCD camera. By projecting different ones Phases (phase shift) or different Lattice constants can provide information about the spatial Location of each individual point on the surface is obtained will.

Zur Erzeugung der Streifenprojektion werden üblicherweise entweder ein oder mehrere Liniengitter mit entsprechenden Verschiebe- oder Drehmechanismen oder ein LCD-Projektor verwendet. Diese bekannten Vorrichtungen sind jedoch hinsichtlich Streifenkontrast, Reaktionszeit bei der Verschiebung oder Drehung, Flexibilität in Bezug auf verschiedene Meßverfahren, Größe und Preis nicht optimal.To create the fringe projection are usually either one or more line grids with corresponding ones Sliding or rotating mechanisms or an LCD projector used. However, these known devices are in terms of strip contrast, response time at the Shift or rotation, flexibility in terms of different measuring methods, size and price not optimal.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum optischen Abtasten einer Oberfläche zu schaffen, die bzw. das im Hinblick auf die genannten Aspekte wesentlich verbessert ist.It is therefore an object of the invention, a device as well a method for optically scanning a surface create that with regard to the above Aspects is significantly improved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.This object is achieved by a device with the features of claim 1 or by a method solved with the features of claim 9.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt darin, daß die obengenannten bekannten Vorrichtungen zur Streifenprojektion durch einen Spiegelchip, beispielsweise vom DMD-Typ, ersetzt werden. Ein derartiger Spiegelchip wurde beispielsweise von der Firma Texas Instruments für den Einsatz bei Projektoren, Druckern und Fernsehgeräten entwickelt und ist beispielsweise beschrieben im Artikel von Larry J. Hornbeck, "Current Status of the Digital Micromirror Device (DMD) for Projection Television Applications", International Electron Devices Meeting, 5.- 8. Dezember 1993, Washington, US, oder in Larry J. Hornbeck, "Deformable-Mirror Spatial Light Modulators", Proceedings of SPIE The International Society for Optical Engineering, Volume 1150, San Diego, US, 6.-11. August 1989. Ein entsprechender Spiegelchip ist ferner auch in c′t 1994, Heft 9, Seite 38, beschrieben sowie von der britischen Firma Rank Brimar vorgestellt worden.An essential aspect of the invention is that the known devices for Strip projection by a mirror chip, for example of the DMD type. Such a mirror chip  was, for example, by the company Texas Instruments for use with projectors, printers and televisions developed and is described for example in the article by Larry J. Hornbeck, "Current Status of the Digital Micromirror Device (DMD) for Projection Television Applications ", International Electron Devices Meeting, 5.- December 8, 1993, Washington, US, or in Larry J. Hornbeck, "Deformable-Mirror Spatial Light Modulators", Proceedings of SPIE The International Society for Optical Engineering, Volume 1150, San Diego, US, 6-11. August 1989. A corresponding mirror chip is also in c't 1994, Issue 9, page 38, and from the British company Rank Brimar.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figur, die schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt.Further features of the invention result from the Description of an embodiment with reference to the figure, which schematically the structure of the invention Device represents.

Die Figur zeigt einen Meßkopf 1, der zur Abtastung eines Abtastbereiches 2 der Oberfläche 3 dieser gegenüberliegend positioniert ist. Der Meßkopf 1 weist eine Projektionsvor­ richtung 4 und eine Betrachtungsvorrichtung 5 auf. Die Projektionsvorrichtung 4 umfaßt eine Lichtquelle 6, beispielsweise einen Laser oder eine Weißlichtquelle in Form einer Halogenlampe oder eines Blitzlichtes, die einen über eine Optik 7 gebündelten und an einem Spiegel 8 reflektierten Lichtstrahl 9 unter einem vorbestimmten Winkel, beispielsweise 20°, auf einen Spiegelchip 10 vom DMD-Typ richtet.The figure shows a measuring head 1 which is positioned to scan a scanning area 2 of the surface 3 opposite it. The measuring head 1 has a Projektionsvor direction 4 and a viewing device 5 . The projection device 4 comprises a light source 6 , for example a laser or a white light source in the form of a halogen lamp or a flash light, which transmits a light beam 9 , bundled via optics 7 and reflected on a mirror 8 , onto a mirror chip 10 at a predetermined angle, for example 20 ° of the DMD type.

Dieser Spiegelchip 10 ist im einzelnen in den oben angegebenen Literaturstellen beschrieben, so daß eine detaillierte Beschreibung hier nicht erforderlich ist. Der bekannte Spiegelchip besitzt eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Mikrospiegel, die jeweils einzeln um den Auslenkwinkel von einer ersten stabilen Lage in eine zweite stabile Lage auslenkbar sind. Typische technische Daten sind:
Auflösung 640*480 bis 2048*1152 Bildpunkte (Pixel)
Pixelgröße 16*16 µm
Pixelabstand 17 µm
Auslenkwinkel +/-10°
Auslenkzeit 10 µs
Chipgröße ca. 1*1 cm This mirror chip 10 is described in detail in the references cited above, so that a detailed description is not required here. The known mirror chip has a multiplicity of micromirrors which are arranged in the form of a matrix and can each be deflected individually by the deflection angle from a first stable position to a second stable position. Typical technical data are:
Resolution 640 * 480 to 2048 * 1152 pixels
Pixel size 16 * 16 µm
Pixel pitch 17 µm
Deflection angle +/- 10 °
Deflection time 10 µs
Chip size approx. 1 * 1 cm

Anstelle eines derartigen Spiegelchips ist auch ein Chip mit jeweils spaltenweise gemeinsam auslenkbaren Mikro­ spiegeln oder mit spaltenförmig geformten Mikrospiegeln einsetzbar. Auch einzelne Mikrospiegel können bei bestimmten Abtastverfahren wie Triangulation verwendet werden.Instead of such a mirror chip there is also a chip each with column-wise deflectable micro mirror or with column-shaped micromirrors applicable. Individual micromirrors can also be used certain scanning methods such as triangulation are used will.

Die Projektionsvorrichtung 4 weist ferner ein Projektionsobjektiv 11 auf, daß einen vom Spiegelchip 10 reflektierten Strahl 16 entsprechend der einzelnen Auslenkung der Mikrospiegel als Streifenmuster 12 auf den Abtastbereich 2 projiziert.The projection device 4 also has a projection objective 11 that projects a beam 16 reflected by the mirror chip 10 onto the scanning area 2 in accordance with the individual deflection of the micromirrors as a stripe pattern 12 .

Die Betrachtungsvorrichtung 5 weist eine Kamera 13 mit CCD- chip 14 sowie ein Betrachtungsobjektiv 15 auf; das Objektiv 15 ist mit seiner Achse winkelmäßig gegenüber der Achse des Projektionsobjektivs 11 so angestellt, daß die Kamera 13, 14 über das Betrachtungsobjektiv 15 den Abtastbereich 2 betrachtet.The viewing device 5 has a camera 13 with a CCD chip 14 and a viewing lens 15 ; the lens 15 is employed with its axis angularly offset from the axis of the projection lens 11 so that the camera 13, 14 viewed through the viewing lens 15 the scanning. 2

Es ist ferner eine nicht gezeigte Steuereinheit zur Koppelung und Steuerung der Projektionsvorrichtung 4, insbesondere zur selektiven Ansteuerung der einzelnen Mikrospiegel des Spiegelchips 10, und der Betrachtungs­ vorrichtung 5 zur Durchführung der nachfolgend beschriebenen Abtastung und Auswertung vorhanden.There is also a control unit, not shown, for coupling and controlling the projection device 4 , in particular for the selective control of the individual micromirrors of the mirror chip 10 , and the viewing device 5 for carrying out the scanning and evaluation described below.

Im Betrieb wird der Meßkopf 1 gegenüber einer abzutastenden Oberfläche 3 positioniert und die Objektive 11 und 15 jeweils auf den Abtastbereich 2 ausgerichtet. Einzelne ausgewählte Mikrospiegel im Spiegelchip 10 werden daraufhin so angesteuert, daß sie den einfallenden Lichtstrahl 9 zum Objektiv 11 reflektieren; beispielsweise können jeweils einzelne Spalten des Spiegelfeldes im Spiegelchip 10 angesteuert werden, so daß der Lichtstrahl 9 als reflektierter Strahl 16 in Form eines Streifenmusters zum Objektiv reflektiert wird. Der auf die nicht angesteuerten Mikrospiegel fallende Teil des Lichtstahls 9 wird dagegen um einen dem Auslenkwinkel entsprechenden Winkel weiter abgelenkt, so daß der entsprechende reflektierte Strahl 17 nicht auf das Objektiv 11 trifft. Damit wird vom Objektiv 11 das Streifenmuster 12 auf den Abtastbereich 2 projiziert. In operation, the measuring head 1 is positioned opposite a surface 3 to be scanned and the objectives 11 and 15 are each aligned with the scanning area 2 . Individual selected micromirrors in the mirror chip 10 are then driven so that they reflect the incident light beam 9 to the lens 11 ; For example, individual columns of the mirror field in the mirror chip 10 can be controlled so that the light beam 9 is reflected as a reflected beam 16 in the form of a stripe pattern to the lens. The part of the light steel 9 falling on the non-activated micromirrors, on the other hand, is deflected further by an angle corresponding to the deflection angle, so that the corresponding reflected beam 17 does not strike the lens 11 . The stripe pattern 12 is thus projected onto the scanning region 2 by the objective 11 .

Das auf den Abtastbereich 2 projizierte Streifenmuster wird von der Kamera 13 über das Betrachtungsobjektiv 15 betrachtet. Dabei wird in an sich bekannter Weise durch Auswertung des Streifenmusters auf der Oberfläche 3, z. B. durch Vergleich mit einem gespeicherten Referenzmuster, eine geometrische Information über die Oberfläche erhalten, die in der Steuereinheit oder einem separaten angeschlossenen Rechner ausgewertet werden kann.The stripe pattern projected onto the scanning area 2 is viewed by the camera 13 via the viewing lens 15 . It is in a known manner by evaluating the stripe pattern on the surface 3 , z. B. by comparison with a stored reference pattern, get geometric information about the surface, which can be evaluated in the control unit or a separate connected computer.

Die Ansteuerung der einzelnen Mikrospiegel und damit das projizierte Streifenmuster, beispielsweise der streifenabstand, kann entsprechend der abzutastenden Oberfläche gewählt werden; damit ist eine Anpassung an die Oberfläche, beispielsweise die Gradienten der Oberfläche, und entsprechend der geforderten Genauigkeit und Auflösung möglich. Da die bei der Auslenkung der Mikrospiegel bewegten Massen sehr klein sind, ist eine extrem kleine Auslenkzeit (nahezu "Echtzeit") und damit eine schnelle Folge einzelner Messungen bzw. verschobener Streifen möglich. Durch Auslenkung wahlweise einzelner Mikrospiegel oder Spiegelgruppen, z. B. Spalten oder Zeilen, kann eine Mehrzahl unterschiedlicher Meßverfahren wie z. B. Punkt- Triangulation, Linien-Triangulation, Moir´- Projektion, Streifenlicht-Projektion oder Absolutmessung durch Binär- Code-Verfahren durch entsprechende Steuerung einer einzigen Vorrichtung durchgeführt werden.The control of the individual micromirrors and thus that projected stripe patterns, such as the strip spacing, can be according to the scanned Surface can be chosen; this is an adaptation to the Surface, for example the gradients of the surface, and according to the required accuracy and resolution possible. Because of the deflection of the micromirror moving masses are very small is an extremely small one Deflection time (almost "real time") and therefore a fast one Sequence of individual measurements or shifted strips possible. By deflecting either individual micromirrors or mirror groups, e.g. B. columns or rows, a A variety of different measurement methods such. B. point Triangulation, line triangulation, moir´ projection, Strip light projection or absolute measurement using binary Code procedure by appropriate control of a single one Device are carried out.

Weitere Modifikationen der beschriebenen Vorrichtung sind möglich. So kann die Projektionsvorrichtung 4 anstelle des Lasers oder der Weißlichtquelle jede andere geeignete Lichtquelle, beispielsweise eine Natrium-Lampe, enthalten.Further modifications of the described device are possible. The projection device 4 can thus contain any other suitable light source, for example a sodium lamp, instead of the laser or the white light source.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur optischen Abtastung einer Oberfläche, mit einer Projektionsvorrichtung (4) zum Projizieren eines Lichtstrahls (9, 12) auf die Oberfläche (3) und einer Betrachtungsvorrichtung (5) zum Erfassen des auf die Oberfläche projizierten Lichtstrahls (12) unter einem Winkel zur Projektionsrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsvorrichtung (4) einen Spiegelchip (10) zur selektiven Ablenkung des Lichtstrahls (9, 12) aufweist.1. Device for optically scanning a surface, with a projection device ( 4 ) for projecting a light beam ( 9 , 12 ) onto the surface ( 3 ) and a viewing device ( 5 ) for detecting the light beam ( 12 ) projected onto the surface at an angle to the direction of projection, characterized in that the projection device ( 4 ) has a mirror chip ( 10 ) for the selective deflection of the light beam ( 9 , 12 ). 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelchip (10) mindestens einen Mikrospiegel mit jeweils mindestens zwei stabilen Lagen aufweist.2. Device according to claim 1, characterized in that the mirror chip ( 10 ) has at least one micromirror, each with at least two stable layers. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelchip (10) eine Mehrzahl von Mikrospiegeln aufweist, die in einer Zeile oder Spalte angeordnet und einzeln in jeweils eine von mindestens zwei stabilen Lagen steuerbar sind.3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the mirror chip ( 10 ) has a plurality of micromirrors which are arranged in a row or column and are individually controllable in one of at least two stable positions. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelchip (10) eine Mehrzahl von Mikrospiegeln aufweist, die matrixförmig angeordnet und einzeln, zeilen- oder spaltenweise in jeweils eine von mindestens zwei stabilen Lagen steuerbar sind.4. The device according to claim 1, characterized in that the mirror chip ( 10 ) has a plurality of micromirrors which are arranged in a matrix and can be controlled individually, row by row or column-wise in one of at least two stable positions. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelchip (10) in einem von einer Lichtquelle (6) emittierten gebündelten Lichtstrahl (9) so angeordnet ist, daß in einer ersten stabilen Auslenkposition der Mikrospiegel der Lichtstrahl (9) mit einem ersten Reflexionswinkel so reflektiert wird, daß er über ein Projektionsobjektiv (11) auf einen Abtastbereich (2) der Oberfläche (3) auftrifft, und in einer zweiten stabilen Auslenkposition der Mikrospiegel der Lichtstrahl (9) mit einem zweiten Reflexionswinkel reflektiert wird, so daß er nicht auf den Abtastbereich (2) der Oberfläche (3) auftrifft.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the mirror chip ( 10 ) is arranged in a bundled light beam ( 9 ) emitted by a light source ( 6 ) so that in a first stable deflection position of the micromirror the light beam ( 9 ) is reflected with a first reflection angle such that it strikes a scanning area ( 2 ) of the surface ( 3 ) via a projection lens ( 11 ), and the light beam ( 9 ) is reflected with a second reflection angle in a second stable deflection position of the micromirrors, so that it does not hit the scanning area ( 2 ) of the surface ( 3 ). 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsvorrichtung (4) eine als Laser oder Weißlichtquelle ausgebildete Lichtquelle (6) aufweist.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the projection device ( 4 ) has a light source ( 6 ) designed as a laser or white light source. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Betrachtungsvorrichtung (5) eine Kamera (13) mit einem CCD-Chip (14) aufweist.7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the viewing device ( 5 ) has a camera ( 13 ) with a CCD chip ( 14 ). 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsvorrichtung (4) und die Betrachtungsvorrichtung, (5) gemeinsam in einem relativ zur Oberfläche (3) positionierbaren Meßkopf (1) angeordnet sind.8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the projection device ( 4 ) and the viewing device ( 5 ) are arranged together in a relative to the surface ( 3 ) positionable measuring head ( 1 ). 9. Verfahren zum optischen Abtasten von Oberflächen, bei dem ein Lichtstrahl (9, 12) mit einer ersten Richtung auf einen Abtastbereich (2) der Oberfläche (3) projiziert und dieser Abtastbereich (2) unter einer zweiten Richtung betrachtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl (9) auf einen Spiegelchip (10) gerichtet und der Spiegelchip (10) derart angesteuert wird, daß in einer ersten stabilen Lage eines Spiegels des Spiegelchips (10) der reflektierte Lichtstrahl (16) auf den Abtastbereich projiziert wird und in einer zweiten stabilen Lage der reflektierte Lichtstrahl (17) nicht in dem Abtastbereich (2) auftrifft.9. A method for the optical scanning of surfaces, in which a light beam ( 9 , 12 ) with a first direction is projected onto a scanning area ( 2 ) of the surface ( 3 ) and this scanning area ( 2 ) is viewed under a second direction, characterized in that that the light beam ( 9 ) is directed onto a mirror chip ( 10 ) and the mirror chip ( 10 ) is controlled such that in a first stable position of a mirror of the mirror chip ( 10 ) the reflected light beam ( 16 ) is projected onto the scanning area and in a second stable position the reflected light beam ( 17 ) does not strike the scanning area ( 2 ). 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelchip (10) so angesteuert wird, daß auf den Abtastbereich (2) einzelne Lichtpunkte oder Linien projiziert werden.10. The method according to claim 9, characterized in that the mirror chip ( 10 ) is controlled so that individual light spots or lines are projected onto the scanning area ( 2 ). 11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelchip (10) so angesteuert wird, daß auf den Abtastbereich (2) ein Streifenmuster projiziert wird.11. The method according to claim 9, characterized in that the mirror chip ( 10 ) is controlled so that a stripe pattern is projected onto the scanning area ( 2 ). 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung der Oberfläche (3) mittels Triangulation erfolgt bzw. durch Auswertung des Streifenmusters durchgeführt wird.12. The method according to claim 10 or 11, characterized in that the scanning of the surface ( 3 ) takes place by means of triangulation or is carried out by evaluating the stripe pattern.
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