DE19608632B4 - Apparatus for determining the topography of a surface and method for determining the topography of a surface - Google Patents

Apparatus for determining the topography of a surface and method for determining the topography of a surface Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung der Topographie einer Oberfläche, mit einer Projektionsvorrichtung (4), die ein Streifenmuster auf die Oberfläche (3) projiziert, und einer Betrachtungsvorrichtung (5), die das auf die Oberfläche projizierte Streifenmuster unter einem Winkel zur Projektionsrichtung erfasst und derart auswertet, daß die Topographie bestimmt wird, wobei die Projektionsvorrichtung (4) einen Spiegelchip (10) aufweist, der durch selektive Ablenkung eines Lichtstahls (9, 12) das Streifenmuster erzeugt.contraption for determining the topography of a surface, with a projection device (4) projecting a striped pattern on the surface (3), and one Viewing device (5) that projected onto the surface Strip pattern detected at an angle to the projection direction and evaluated in such a way that the Topography is determined, wherein the projection device (4) a mirror chip (10), which by selective deflection of a Lichtstahls (9, 12) generates the stripe pattern.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Topographie einer Oberfläche und ein Verfahren zum Bestimmen der Topographie einer Oberfläche.The The invention relates to a device for determining the topography a surface and a method for determining the topography of a surface.

Ein derartiges Verfahren ist allgemein unter den Begriffen Triangulation, Streifenlichtprojektion, Binär-Code-Verfahren oder Moiré-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.One Such a method is generally understood by the terms triangulation, Strip light projection, binary code or moire method known. In the latter three methods, one to be scanned or surface to be measured a striped pattern is projected and viewed by a CCD camera. By Projection of different phase positions (phase shift) or different Lattice constants can provide information about the spatial location of each individual Point of the surface be won.

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 Generation of fringe projection is usually either on or several line grids with corresponding displacement or rotation mechanisms or an LCD projector used. These known devices However, in terms of stripe contrast, reaction time in the Displacement or rotation, flexibility in relation to different measuring method Size and price not optimal.

Aus der JP 57-26706 A, der DE 38 29 925 A1 und aus der EP 0 486 219 A2 ist jeweils eine Vorrichtung zur Bestimmung der Topographie einer Oberfläche mit einer Projektionsvorrichtung, die einen Lichtstrahl auf die Oberfläche projiziert, und einer Betrachtungsvorrichtung, die den auf die Oberfläche projizierten Lichtstrahl unter einem Winkel zur Projektionsrichtung erfaßt und derart auswertet, daß die Topographie bestimmt wird, bekannt. Darüber hinaus ist aus der JP 57-26706 A, der DE 38 29 925 A1 und aus der EP 0 486 219 A2 jeweils ein Verfahren zum Bestimmen der Topographie einer Oberfläche bekannt, bei dem ein Lichtstrahl mit einer ersten Richtung auf einen Abtastbereich der Oberfläche projiziert und dieser Abtastbereich unter einer zweiten Richtung betrachtet und derart ausgewertet wird, daß die Topographie bestimmt wird.From JP 57-26706 A, the DE 38 29 925 A1 and from the EP 0 486 219 A2 In each case, a device for determining the topography of a surface with a projection device which projects a light beam onto the surface and a viewing device which detects the light beam projected onto the surface at an angle to the projection direction and evaluates such that the topography is determined are known , In addition, from JP 57-26706 A, the DE 38 29 925 A1 and from the EP 0 486 219 A2 a method is known for determining the topography of a surface in which a light beam is projected onto a scanning region of the surface with a first direction and this scanning region is viewed under a second direction and evaluated in such a way that the topography is determined.

Aus der EP 0 460 889 A2 ist es bekannt, einen Spiegelchip zum Abtasten eines optischen Speichermediums zu verwenden.From the EP 0 460 889 A2 It is known to use a mirror chip for scanning an optical storage medium.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Bestimmen der Topographie einer Oberfläche vorzusehen, die bzw. das im Hinblick auf die genannten Aspekte wesentlich verbessert ist.It Object of the invention, an apparatus and a method to determine the topography of a surface, the or significantly improved with regard to the above-mentioned aspects.

Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung des Anspruchs 1 oder durch das Verfahren des Anspruchs 9 gelöst.The The object is achieved by the device of claim 1 or by the The method of claim 9 solved.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.further developments The invention are specified in the subclaims.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt darin, daß die oben genannten bekannten Vorrichtungen zur Streifenprojektion durch einen Spiegelchip, beispielsweise vom DMD-Typ, ersetzt werden. Ein derartiger Spiegelchip wurde beispielsweise 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.One essential aspect of the invention is that the above mentioned known devices for strip projection by a Mirror chip, for example of the DMD type, to be replaced. Such a mirror chip was for example developed for use with 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, 5.-8. December 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, described.

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 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 Projektionsvorrichtung 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 for scanning a scanning area 2 the surface 3 this is positioned opposite. The measuring head 1 has a projection device 4 and a viewing device 5 on. The projection device 4 includes a light source 6 For example, a laser or a white light source in the form of a halogen lamp or a flashlight, the one on an optics 7 bundled and at a mirror 8th reflected light beam 9 at a predetermined angle, for example 20 °, on a mirror chip 10 of the DMD type.

Dieser Spiegelchip 10 ist im einzelnen in den oben angegebenen Literaturstellen beschrieben, sodaß 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 given above, so that a detailed description is not required here. The known mirror chip has a multiplicity of micromirrors arranged in the form of a matrix, which can 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 (pixels) pixel size 16 x 16 μm pixel pitch 17 μm angle of deflection +/- 10 ° deflection time 10 μs Sensor size about 1 x 1 cm

Anstelle eines derartigen Spiegelchips ist auch ein Chip mit jeweils spaltenweise gemeinsam auslenkbaren Mikrospiegeln oder mit spaltenförmig geformten Mikrospiegeln einsetzbar. Auch einzelne Mikrospiegel können bei bestimmten Abtastverfahren wie Triangulation verwendet werden.Instead of Such a chip is also a chip with each column jointly deflectable micromirrors or with columnar shaped Micro mirrors can be used. Also, individual micromirrors may be included certain scanning methods such as triangulation.

Die Projektionsvorrichtung 4 weist ferner ein Projektionsobjektiv 11 auf, das 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 lens 11 on, the one from the mirror chip 10 reflected beam 16 corresponding to the individual deflection of the micromirrors as a striped pattern 12 on the scanning area 2 projected.

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 CCD chip 14 as well as a viewing lens 15 on; the objective 15 is with its axis angularly opposite to the axis of the projection lens 11 so employed that the camera 13 . 14 over the viewing lens 15 the scanning area 2 considered.

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 Betrachtungsvorrichtung 5 zur Durchführung der nachfolgend beschriebenen Abtastung und Auswertung vorhanden.It 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 to carry 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, sodaß 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, sodaß 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 opposite a surface to be scanned 3 positioned and the lenses 11 and 15 each on the scanning area 2 aligned. Single selected micromirrors in the mirror chip 10 are then controlled so that they the incident light beam 9 to the lens 11 reflect; For example, each individual columns of the mirror field in the mirror chip 10 be controlled, so that the light beam 9 as a reflected beam 16 is reflected in the form of a stripe pattern to the lens. The portion of the light beam falling on the non-driven micromirrors 9 On the other hand, it is further deflected by an angle corresponding to the deflection angle, so that the corresponding reflected beam 17 not on the lens 11 meets. This is from the lens 11 the stripe pattern 12 on the scanning area 2 projected.

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.That on the scanning area 2 projected stripe pattern is from the camera 13 over the viewing lens 15 considered. This is done in a conventional manner by evaluating the stripe pattern on the surface 3 , For example, by comparison with a stored reference pattern, obtained 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; 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, Moiré-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 the projected Stripe patterns, such as the stripe spacing, may be appropriate the surface to be scanned chosen become; This is an adaptation to the surface, such as the gradients the surface, and according to the required accuracy and resolution possible. There the masses moved during the deflection of the micromirrors are very small, is an extremely small deflection time (almost "real time") and thus a fast result of each Measurements or shifted strips possible. By deflection optional single micromirrors or mirror groups, e.g. Columns or rows, For example, a plurality of different measuring methods, such as e.g. Point triangulation, line triangulation, Moire projection, Strip light projection or absolute measurement by binary code method appropriate control of a single device can be performed.

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 device described are possible. So can the projection device 4 instead of the laser or white light source, any other suitable light source, such as a sodium lamp, included.

Claims (10)

Vorrichtung zur Bestimmung der Topographie einer Oberfläche, mit einer Projektionsvorrichtung (4), die ein Streifenmuster auf die Oberfläche (3) projiziert, und einer Betrachtungsvorrichtung (5), die das auf die Oberfläche projizierte Streifenmuster unter einem Winkel zur Projektionsrichtung erfasst und derart auswertet, daß die Topographie bestimmt wird, wobei die Projektionsvorrichtung (4) einen Spiegelchip (10) aufweist, der durch selektive Ablenkung eines Lichtstahls (9, 12) das Streifenmuster erzeugt.Device for determining the topography of a surface, comprising a projection device ( 4 ), which has a striped pattern on the surface ( 3 ) and a viewing device ( 5 ) which detects the stripe pattern projected onto the surface at an angle to the direction of projection and evaluates such that the topography is determined, the projection apparatus ( 4 ) a mirror chip ( 10 ), which by selective deflection of a light beam ( 9 . 12 ) generates the stripe pattern. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Spiegelchip (10) mindestens einen Mikrospiegel mit jeweils mindestens zwei stabilen Lagen aufweist.Apparatus according to claim 1, wherein the mirror chip ( 10 ) has at least one micromirror each having at least two stable layers. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei 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.Apparatus according to claim 1, wherein the mirror chip ( 10 ) has a plurality of micromirrors arranged in a row or column and individually controllable in each one of at least two stable layers. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei 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.Apparatus according to claim 1, wherein the mirror chip ( 10 ) has a plurality of micromirrors, which are arranged in a matrix and individually, row or column-wise controllable in each case one of at least two stable layers. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Spiegelchip (10) in einem von einer Lichtquelle (6) emittierten gebündelten Lichtstrahl (9) so angeordnet ist, daß in einer ersten stabilen Auslenkposition eines Mikrospiegels 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 des Mikrospiegels der Lichtstrahl (9) mit einem zweiten Reflexionswinkel reflektiert wird, so daß er nicht auf den Abtastbereich (2) der Oberfläche (3) auftrifft.Device according to one of claims 1 to 4, wherein the mirror chip ( 10 ) in one of a light source ( 6 ) emitted bundled light beam ( 9 ) is arranged so that in a first stable deflection position of a micromirror of the light beam ( 9 ) is reflected at a first angle of reflection so that it is transmitted through a projection lens ( 11 ) to a scanning area ( 2 ) of the surface ( 3 ), and in a second stable deflection position of the micromirror the light beam ( 9 ) is reflected at a second angle of reflection so that it does not touch the scanning area (FIG. 2 ) of the surface ( 3 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Projektionsvorrichtung (4) eine als Laser oder Weißlichtquelle ausgebildete Lichtquelle (6) aufweist.Device according to one of claims 1 to 5, wherein the projection device ( 4 ) designed as a laser or white light source light source ( 6 ) having. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Betrachtungsvorrichtung (5) eine Kamera (13) mit einem CCD-Chip (14) aufweist.Device according to one of claims 1 to 6, wherein the viewing device ( 5 ) a camera ( 13 ) with a CCD chip ( 14 ) having. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Projektionsvorrichtung (4) und die Betrachtungsvorrichtung (5) gemeinsam in einem relativ zur Oberfläche (3) positionierbaren Messkopf (1) angeordnet sind.Device according to one of claims 1 to 7, wherein the projection device ( 4 ) and the viewing device ( 5 ) together in a relative to the surface ( 3 ) positionable measuring head ( 1 ) are arranged. Verfahren zum Bestimmen der Topographie einer Oberfläche mittels Projektion eines Streifenmusters, bei dem ein Streifenmuster auf einen Abtastbereich (2) der Oberfläche (3) projiziert wird, indem ein 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 und der Abtastbereich (2) unter einer zweiten Richtung betrachtet und derart ausgewertet wird, daß die Topographie bestimmt wird.Method for determining the topography of a surface by projection of a stripe pattern, in which a stripe pattern is applied to a scanning region ( 2 ) of the surface ( 3 ) is projected by a light beam ( 9 ) on a mirror chip ( 10 ) and the mirror chip ( 10 ) is driven 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 ) not in the scanning area ( 2 ) and the scanning area ( 2 ) is viewed under a second direction and evaluated so that the topography is determined. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Abtastung der Oberfläche (3) mittels Triangulation erfolgt bzw. durch Auswertung des Streifenmusters durchgeführt wird.Method according to claim 9, wherein the scanning of the surface ( 3 ) is carried out by triangulation or by evaluation of the stripe pattern is performed.
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AU2093397A (en) 1997-09-22
WO1997033140A1 (en) 1997-09-12

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