DE19608632A1 - Apparatus and method for optical scanning of surfaces - Google Patents

Apparatus and method for 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 according to the preamble of claim 1 and of claim 9.

Ein derartiges Verfahren ist allgemein unter den Begriffen Triangulation, Streifenlichtprojektion, Binär-Code- Verfahren oder Moir´-Verfahren bekannt. Such a method is generally known under the terms triangulation, structured light projection, binary code method or Moir' method. Bei den letzteren drei Verfahren wird ein auf die abzutastende bzw. zu messende Oberfläche ein Streifenmuster projiziert und von einer CCD-Kamera betrachtet. In the latter method, a three a stripe pattern on the scanned or surface to be measured is projected and viewed by a CCD camera. Durch Projektion verschiedener Phasenlagen (Phasenshift) bzw. unterschiedlicher Gitterkonstanten kann eine Information über die räumliche Lage jedes einzelnen Punktes der Oberfläche gewonnen werden. By projection of different phase positions (Phase Shift) or different lattice constants, an information about the spatial position of each point of the surface are obtained.

Zur Erzeugung der Streifenprojektion werden üblicherweise entweder ein oder mehrere Liniengitter mit entsprechenden Verschiebe- oder Drehmechanismen oder ein LCD-Projektor verwendet. To generate the fringe projection either one or several line gratings with corresponding displacement or rotation mechanisms or an LCD projector are usually used. Diese bekannten Vorrichtungen sind jedoch hinsichtlich Streifenkontrast, Reaktionszeit bei der Verschiebung oder Drehung, Flexibilität in Bezug auf verschiedene Meßverfahren, Größe und Preis nicht optimal. However, these known devices are for streaks contrast, response time for the displacement or rotation, flexibility with respect to different measurement methods, size and price than 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 to provide an apparatus and a method for optically scanning a surface to provide that it is substantially improved in view of the aforementioned aspects or.

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 inventively achieved by a device having the features of claim 1 and by a method having 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. An essential aspect of the invention is that, the above-mentioned known devices for fringe projection by a mirror chip, for example of the DMD type replaced. 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. Such a mirror chip has been developed, for example by Texas Instruments for use in projectors, printers and televisions, 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, 5th to 8th December 1993 Washington, US, or Larry J. Hornbeck, "Deformable-Mirror Spatial Light Modulators", Proceedings of SPIE The International Society for Optical Engineering, Volume 1150, San Diego, US, 6-11th 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. August 1989. A corresponding mirror chip is also in c't 1994, No. 9, page 38 described and was presented by 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 will become apparent from the description of an embodiment with reference to the figure, which schematically shows the structure of the device according to the invention.

Die Figur zeigt einen Meßkopf 1 , der zur Abtastung eines Abtastbereiches 2 der Oberfläche 3 dieser gegenüberliegend positioniert ist. The figure shows a measuring head 1, the latter is oppositely positioned for scanning a scanning area of the surface 2. 3 Der Meßkopf 1 weist eine Projektionsvor richtung 4 und eine Betrachtungsvorrichtung 5 auf. The measuring head 1 has a Projektionsvor direction 4 and a viewing device. 5 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 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, including a via a lens 7 collimated and reflected by a mirror 8 beam 9 at a predetermined angle, for example 20 °, on a mirror chip 10 hosted by DMD type.

Dieser Spiegelchip 10 ist im einzelnen in den oben angegebenen Literaturstellen beschrieben, so daß eine detaillierte Beschreibung hier nicht erforderlich ist. This mirror chip 10 is described in detail in the references noted above, so a detailed description is not necessary here. 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. The known mirror chip has a plurality of arrayed micromirrors that are deflected in each case individually to the deflection angle of a first stable position to a second stable location. Typische technische Daten sind: Typical specifications are:
Auflösung 640*480 bis 2048*1152 Bildpunkte (Pixel) Resolution 640 * 480-2048 * 1152 pixels (pixels)
Pixelgröße 16*16 µm Pixel size of 16 * 16 micrometers
Pixelabstand 17 µm Pixel pitch 17 microns
Auslenkwinkel +/-10° Deflection angle of +/- 10 °
Auslenkzeit 10 µs Deflection time 10 microseconds
Chipgröße ca. 1*1 cm Chip size about 1 * 1 cm

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

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 further includes a projection lens 11 so that a light reflected from the mirror chip 10 projected beam 16 corresponding to the individual deflection of the micromirror as a stripe pattern 12 on the scanning region. 2

Die Betrachtungsvorrichtung 5 weist eine Kamera 13 mit CCD- chip 14 sowie ein Betrachtungsobjektiv 15 auf; The observation device 5 includes a camera 13 having CCD chip 14 as well as a viewing lens 15; 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 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. It is a further control unit not shown for controlling the coupling and projection device 4, in particular for the selective control of the individual micro-mirrors of the mirror chip 10, and the viewing device available 5 for performing the sampling and analysis 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. In operation, the measuring head 1 is positioned against a surface to be scanned 3 and the lenses 11 and 15 respectively aligned with the scanning region. 2 Einzelne ausgewählte Mikrospiegel im Spiegelchip 10 werden daraufhin so angesteuert, daß sie den einfallenden Lichtstrahl 9 zum Objektiv 11 reflektieren; Selected individual micro mirror in the mirror chip 10 are then driven so as to 9 reflect the incident light beam to the lens 11; 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. for example, each individual columns of the mirror field can be controlled in the mirror chip 10, so that the light beam is reflected as a reflected beam 9 16 in the form of a stripe pattern to the lens. 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. The incident on the non-driven micro-mirror portion of the beam of light 9 other hand, is further deflected by a deflection angle corresponding to the angle, so that the corresponding reflected beam 17 is not incident on the objective. 11 Damit wird vom Objektiv 11 das Streifenmuster 12 auf den Abtastbereich 2 projiziert. Thus is projected by the lens 11, the stripe pattern 12 on the scanning region. 2

Das auf den Abtastbereich 2 projizierte Streifenmuster wird von der Kamera 13 über das Betrachtungsobjektiv 15 betrachtet. The image projected onto the scan region 2 stripe pattern is viewed from the camera 13 via the observation lens 15th Dabei wird in an sich bekannter Weise durch Auswertung des Streifenmusters auf der Oberfläche 3 , z. In this case, in a conventional manner by evaluating the fringe pattern on the surface 3, for example. 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. B. obtained by comparison with a stored reference pattern, a geometric information about the surface, which can be evaluated in the control unit or a separate computer connected.

Die Ansteuerung der einzelnen Mikrospiegel und damit das projizierte Streifenmuster, beispielsweise der streifenabstand, kann entsprechend der abzutastenden Oberfläche gewählt werden; The control of the individual micro-mirrors and thus the projected striped pattern, for example, the fringe spacing can be chosen according to the surface to be scanned; damit ist eine Anpassung an die Oberfläche, beispielsweise die Gradienten der Oberfläche, und entsprechend der geforderten Genauigkeit und Auflösung möglich. so that is an adaptation to the surface, for example, the gradient of the surface and possible according to the required accuracy and resolution. 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. Since moving to the deflection of the micromirror masses are very small, an extremely small deflection time (almost "real time") and thus a rapid sequence of individual measurements and postponements strip is possible. Durch Auslenkung wahlweise einzelner Mikrospiegel oder Spiegelgruppen, z. By deflecting either of individual micro-mirror or mirror groups, eg. B. Spalten oder Zeilen, kann eine Mehrzahl unterschiedlicher Meßverfahren wie z. B. columns or rows, a plurality of different measuring methods such. B. Punkt- Triangulation, Linien-Triangulation, Moir´- Projektion, Streifenlicht-Projektion oder Absolutmessung durch Binär- Code-Verfahren durch entsprechende Steuerung einer einzigen Vorrichtung durchgeführt werden. B. point triangulation, lines triangulation, Moir'- projection fringe projection or absolute measurement can be performed by binary code method by appropriate control of a single device.

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

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. A device for optically scanning a surface, comprising a projection device (4) for projecting a light beam (9, 12) on the surface (3) and a viewing device (5) for detecting the projected onto the surface of the light beam (12) at an angle to the projection direction, characterized in that the projection device (4) comprises a mirror chip (10) for selectively deflecting 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 with at least two stable positions.
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. That the mirror chip (10) 3. A device according to claim 1, characterized in that a plurality of micro mirrors, which in each case one of at least two stable positions are arranged in a row or column and individually controllable.
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. Device according to claim 1, characterized in that the mirror chip (10) having a plurality of micromirrors arranged in matrix form and individually, in rows or in each case one of at least two stable positions are column-wise controllable.
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 beam emitted from a light source (6) bundled light beam (9) so that in a first stable deflected position of the micromirrors, the light beam (9 ) is reflected by a first reflection angle such that it)) is incident on a projection lens (11 a scanning region (2) of the surface (3, and is) reflected in a second stable deflected position of the micromirrors, the light beam (9 with a second angle of reflection, so that it does not impinge on 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) comprises a laser or a white light source formed light source (6).
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) having 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 observation device (5) are arranged together in a positionable relative to the surface (3) the 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 optical scanning of surfaces, in which a light beam (9, 12) projected at a first direction on a scanning area (2) of the surface (3) and this scanning is considered (2) with a second direction, characterized in that that the light beam (9) directed to a mirror chip (10) and the mirror chip (10) is driven such that the reflected light beam (16) is projected onto the scan region in a first stable position of a mirror of the mirror chip (10) and in a second stable position of the reflected light beam (17) does not impinge in the scanning region (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 driven so that (2) individual light points or lines are projected onto the scanning area.
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 driven so that a stripe pattern is projected onto the scan region (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 of claim 10 or 11, characterized is that the scanning of the surface (3) by means of triangulation, or carried out by analyzing the fringe pattern.
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