DE19651667C2 - Vorrichtung zur dreidimensionalen Untersuchung eines Objektes - Google Patents

Abstract

Auf das Objekt wird ein Pinholearray abgebildet, das typisch einige Hunderttausend Beleuchtungspunkte gleichzeitig erzeugt. Auf der Empfängerseite befindet sich ein Array mit je einer anamorphotischen Linse pro Leuchtpunkt und ein CCD-Array mit typisch vier Pixeln je anamorphotische Linse. So können einige Hunderttausend Abstandsmessungen je Bild ausgewertet werden. Das ermöglicht sehr schnelle 3-D-Messung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Untersuchung eines Objektes nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 40 35 799 C2 bekannt. Dort wird ein Beleuchtungsraster mit einem Rastermaß auf ein Empfängerarray abgebildet, welches mit dem Rastermaß der lichtempfindlichen Bereiche des Empfängerarrays übereinstimmt oder ein ganzzahliges Vielfaches von diesem ist. Es wird die Blendenwirkung des Empfängerarrays ausgenutzt. Eine solche Anordnung hat den Nachteil, daß bei der Auswertung der aus verschiedenen Objektebenen aufgenommenen Bilder zur Ermittlung der Tiefenwerte jeweils die Absolutwerte der Helligkeit ausgewertet werden und ihr Maximum bestimmt werden muß.

Eine Einrichtung, die es gestattet, den Abstand eines einzelnen Meßortes mit einer Nullsignal-Detektion und mit anamorphotischer Abbildung eines Punktes zu erfassen, ist ebenfalls bekannt. Dabei wird das Licht einer Laserdiode auf das zu beleuchtende Objekt abgebildet und das von diesem reflektierte Licht von einer anamorphotischen Linse so abgebildet, daß in einer Zwischenebene zwischen den beiden von der anamorphotischen Linse vorgegebenen Fokusebenen ein etwa kreisförmiges Bild des Punktes entsteht. Eine solche Anordnung liefert außerhalb dieser Zwischenebene bei geeigneter Auswertung des Bildes mit dafür ausgelegten Strahlungsempfängern ein Richtungssignal, das anzeigt, in welcher Richtung die Lage des Meßobjektes von der Sollage abweicht. In Tonwiedergabegeräten für Compact Dics werden solche Anordnungen eingesetzt. Allerdings wird dabei jeweils nur ein einziger Punkt des Objektes erfaßt. Messungen mit einer derartigen Anordnung erfordern deshalb in der Metrologie, wo viele Meßpunkte in kurzer Zeit zu erfassen sind, viel Zeit. Das gilt besonders, wenn große Flächen des Objektes vermessen werden sollen.

Weiterhin ist mit DE 40 17 485 A1 ein Verfahren zur Kompensation des Offsets eines Photodetektors bekannt geworden, bei dem eine Anordnung mit Vierquadrantendetektor ein einziges Fokusfehlersignal bestimmt und bei der der Offset des Photodetektors in einem Speicher abgelegt wird, der bei der ersten Inbetriebnahme des Gerätes abgefragt wird. Zur schnellen Ermittlung vieler Abstandswerte ist dieses Verfahren und Anordnung nicht geeignet.

Mit DE 693 13 024 T2 ist eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung bekannt geworden, bei der der Eindringwirkungsgrad des Lichtes bei der Bildaufnahme durch ein Mikrolinsenarray verbessert wird. Diese Anordnung ist zur Abstandsmessung ungeeignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die es gestattet, den Fokusabstand mit einer Nullsignal-Detektion zu bestimmen und dabei viele Meßpunkte gleichzeitig zu erfassen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 aufgezeigt.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß der Abstand der einzelnen Meßpunkte z. B. durch eine Nullsignal-Detektion bestimmt wird und daß sehr viele Meßpunkte gleichzeitig erfaßt werden. Dies geschieht kostengünstig, weil als Strahlungsempfänger Empfängerarrays, vorzugsweise CCD-Arrays und Arrays aus anamorphotischen Linsen eingesetzt werden, die zum Beispiel durch Formpressen kostengünstig hergestellt werden können.

Die Signal-Detektion wird dadurch verwirklicht, daß die lichtempfindlichen Bereiche benachbarter Empfängerpixel unmittelbar aneinander angrenzen, daß vor dem Empfängerarray ein Array von anamorphotischen Linsen so angeordnet ist, daß einem jeden Beleuchtungspixel jeweils eine gerade Anzahl von mindestens zwei benachbarten Empfängerpixeln zugeordnet ist, die von einem zugehörigen Objektpunkt in der Fokusebene symmetrisch und gleichmäßig von diesem Beleuchtungspixel beaufschlagt werden, wobei diese Empfängerpixel um­ so unsymmetrischer beaufschlagt werden, je weiter dieser Objektpunkt außerhalb der Fokusebene liegt und wobei eine Messung des Abstandes dieses Objektpunktes von der Fokusebene über den Nulldurchgang einer Differenzmessung benachbarter Empfängerpixel interpolierend erfolgt und daß ein Computer für unsymmetrisch beaufschlagte Empfängerpixel aus deren entgegengesetzten Signalwerten anhand des Nulldurchgangs zwischen diesen beiden Signalwerten individuell für den jeweils zugehörigen Objektpunkt dessen Abweichung von der Fokuslage und damit dessen Tiefenwert ermittelt.

Die Anordnung nach der Erfindung unterscheidet sich von der Anordnung, wie sie in der Patentschrift DE 40 35 799 C2 geschildert ist, darin, daß dort die Blendenfunktion der arrayförmig angeordneten Strahlungsempfänger ausgenutzt wird, deren lichtempfindliche Bereiche durch Zwischenräume voneinander getrennt sind. Die Abstandsdetektion erfolgt dort durch Auswertung des auf dem jeweiligen Pixel des Strahlungempfängerarrays detektierten Intensitätsmaximums. Dazu wird eine Meßreihe aufgenommen, die Werte von mehreren verschiedenen z-Positionen des Objektes im Rechner abspeichert. Dieser bestimmt für jedes Pixel die z-Position, in der seine Intensität ihr Maximum hat. Daraus ergibt sich der zu ermittelnde Abstandswert. Bei der vorliegenden Erfindung wird dagegen die Differenz oder ein vorgegebenes Verhältnis der Signale von benachbarten Pixeln des Empfängerarrays ausgewertet. Wo der Nullwert oder das vorgegebene Verhältnis erreicht ist, befindet sich die Fokuslage, die den zu ermittelnden Tiefenwert liefert. Es kommen dabei Empfängerarrays zum Einsatz, die zwischen benachbarten Pixeln keine oder nur eine kleine lichtunempfindliche Zone aufweisen. Zur Detektion des Abstandssignals ist es bei der vorliegenden Erfindung erforderlich, Empfängerarrays mit unmittelbar aneinander grenzenden lichtempfindlichen Bereichen zu verwenden. Deshalb unterscheidet sich die Anordnung nach der vorliegenden Erfindung ganz grundlegend von der in der genannten DE geschilderten.

Die Anordnung nach der Erfindung eignet sich besonders zur dreidimensionalen Vermessung mechanischer Teile im Auflicht und zur Aufnahme von 3D-Bildern von fluoreszierenden Objekten. Für mechanische Teile wird in an sich bekannter Weise im Strahlengang ein halbdurchlässiger Spiegel zur Trennung des Beleuchtungslichtes vom vom Objekt reflektierten Licht eingesetzt. Für Fluoreszenzanwendungen werden in an sich bekannter Weise ein dichroitischer Spiegel und gegebenenfalls auch Lichtfilter zur Trennung von Beleuchtungslicht und durch Fluoreszenz vom Objekt ausgesendetem Licht eingesetzt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Fig. 1 bis 24 dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Ausführung, bei der das Beleuchtungsraster durch eine Glasplatte mit Löchern erzeugt wird,

Fig. 2 eine Glasplatte mit Löchern,

Fig. 3 eine anamorphotische Linse in zwei Seitenansichten,

Fig. 4 ein Array mit anamorphotischen Linsen,

Fig. 5 ein Empfängerarray im gleichen Maßstab,

Fig. 6 ein Empfängerquadrupel mit dem Bild des beleuchteten Punktes in der Fokuslage,

Fig. 7 ein Empfängerquadrupel mit dem Bild des beleuchteten Punktes außerhalb der Fokuslage,

Fig. 8 ein Empfängerquadrupel mit geschwärztem Zentrum und Bild des Objektpunktes in der Fokuslage

Fig. 9 ein Empfängerquadrupel mit geschwärztem Zentrum und Bild des Objektpunktes außerhalb der Fokuslage

Fig. 10 mehrere Strahlenkegel in der Nähe des Empfängerarrays,

Fig. 11 eine Telezentrieblende ausgebildet als Vollpupille,

Fig. 12 eine Telezentrieblende ausgebildet als Ringpupille

Fig. 13 ein Array anamorphotischer Linsen mit lichtundurchlässigen Zwischenräumen,

Fig. 14 eine Anordnung mit Beleuchtung der Löcher mit einem Linsenarray

Fig. 15 eine Anordnung mit Lichtquellenarray zur Beleuchtung

Fig. 16 eine Beleuchtungsanordnung zur Erzeugung des Punktrasters ohne Verwendung eines Lochrasters,

Fig. 17 eine Anordnung, bei der durch ein Linsenarray eine Blende vielfach in die Beleuchtungsebene abgebildet wird,

Fig. 18 ein Beispiel für eine Blende zur Anordnung nach Fig. 17.

Fig. 19 den Verlauf des Differenzsignals eines Strahlungempfängerquadrupels in Abhängigkeit von der Abweichung von der Fokuslage,

Fig. 20 und 21 ein mechanisches Teil, das als Beispiel zur Erläuterung der Meßstrategie dient und

Fig. 22 bis 24 die Lage verschiedener Bildfolgen in Bezug auf das zu vermessende Teil.

In Fig. 1 ist mit (11) eine Lichtquelle, z. B. eine Halogenlampe, bezeichnet, die mit Hilfe des Kondensors (11k), evtl. über ein Filter (11f) (zur Aussonderung eines ausreichend schmalen Spektralbereiches), Löcher (12l) in einer Schicht (12s) beleuchtet. Eine derartige Schicht kann in bekannter Weise z. B. aus Chrom auf einer Glasplatte (12g) hergestellt werden. Die Löcher (12l) sind in der Schicht (12s) ebenso rasterförmig angeordnet wie die lichtempfindlichen Bereiche des Empfängerarrays (17). Wird z. B. ein Empfängerarray mit 512 × 512 Empfängern verwendet, die im Abstand von 11 µm rasterförmig angeordnet sind, dann enthält die Schicht 256 × 256 Löcher mit einem Abstand von 22 µm und mit einer Lochgröße von z. B. 4 µm × 4 µm. Die Löcher sind also erheblich kleiner als ihr Abstand. Der Abstand der Löcher bzw. Bereiche von Mitte zu Mitte wird als Rastermaß bezeichnet.

Das durch die beleuchteten Löcher (12l) in der Schicht (12s) erzeugte Beleuchtungsraster liegt in der Beleuchtungsebene (11b). Diese wird durch die Linsen (13o, 13u) in die Fokusebene (13f) abgebildet, so daß in letzterer das Objekt (14) mit rasterförmig angeordneten Lichtpunkten beleuchtet wird. Bei nicht transparenten Objekten kann nur die Oberfläche (14o) beleuchtet werden, während bei transparenten Objekten auch Schichten (14s) im Inneren mit den Lichtpunkten beleuchtet werden können. Die vom Objekt in der Ebene (13f) reflektierten Lichtstrahlen werden von den Linsen (13u, 13o) über einen Strahlteiler (16) in der Empfängerebene (17b) abgebildet. Blenden werden in der Ebene anamorphotischer Linsen (66) realisiert durch die Ränder der anamorphotischen Linsen, die durch Zwischenräume voneinander getrennt sind. Zwischen den Linsen (13o, 13u) ist üblicherweise eine sog. Telezentrie-Blende (13t) angeordnet, welche dafür sorgt, daß der Mittenstrahl (13m) parallel zur optischen Achse (10) auf das Objekt (14) trifft, so daß die Lage der Lichtpunkte auf dem Objekt sich nicht ändert, wenn das Objekt (14) in Richtung der optischen Achse (10) bewegt wird.

Der vorerwähnte Strahlteiler (16) ist für Auflichtanwendungen als halbdurchlässiger Spiegel ausgeführt. Für Fluoreszenzanwendungen wird in an sich bekannter Weise ein dichroitischer Spiegel eingesetzt.

Das Objekt (14) kann durch eine Verstellvorrichtung (15) in allen 3 Raumrichtungen bewegt werden, so daß verschiedene Schichten (14s) des Objektes (14) abgescannt werden können. Dabei kann die Bewegung in x- und y-Richtung kleiner gewählt werden als das Rastermaß der Lichtpunkte (12), wenn eine Ortsmessung mit höherer Auflösung als durch das Rastermaß vorgegeben ist, benötigt wird. Selbstverständlich kann die Bewegung des Objektes (14) in z-Richtung auch durch Verschieben der Linsen (13o, 13u) in Richtung der optischen Achse (10) erreicht werden und ebenso können anstelle der Bewegung des Objektes in x- und y-Richtung auch die Schicht (12s) mit den Löchern (12l), das Linsenarray (66) und das Empfängerarray (17) entsprechend bewegt werden.

Die Signale des Empfängerarrays (17) werden über die Verbindungsleitung (17v) in einen Computer (18) übertragen, der in bekannter Weise die Auswertung übernimmt und auf einem Bildschirm (18b) die Ergebnisse der Auswertung z. B. in Form von graphischen Darstellungen wiedergibt. Der Computer (18) kann auch über die Verbindungsleitung (18v) die Verschiebung der Meßebene (13f) im Objekt und das Scannen in x- und y- Richtung steuern. Diese Steuerung kann im Computer als festes Programm vorliegen oder abhängig von den Ergebnissen der Auswertung erfolgen.

Fig. 2 zeigt eine Glasplatte (12g) in der Draufsicht, wobei ein Beleuchtungspunkt 12l vergrößert herausgezeichnet ist. Die arrayförmige Anordnung der Beleuchtungspunkte ist nur angedeutet, in Wirklichkeit sind, wie schon erwähnt, in rasterförmiger Anordnung zum Beispiel 256 Zeilen mit je 256 Beleuchtungspunkten vorgesehen.

In Fig. 3 ist eine einzelne anamorphotische Linse (60a, 60b) in zwei seitlichen Ansichten wiedergegeben. Der Bezug auf die Ansichten ergibt sich aus den Pfeilen A (entspricht (60a)) und B (entspricht (60b)) in Fig. 4.

Fig. 4 zeigt ein Array anamorphotischer Linsen (66) in der Draufsicht. Eine einzelne anamorphotische Linse (60) ist vergrößert herausgezeichnet. Vorteilhaft ist es, ebenso viele anamorphotische Linsen vorzusehen, wie Beleuchtungspunkte vorhanden sind.

Fig. 5 zeigt im gleichen Maßstab das zugehörige Empfängerarray (17). Jeder anamorphotischen Linse ist ein Empfänger-Quadrupel (6) zugeordnet, das aus dem Empfängerpaar (8a, 8b) und dem Empfängerpaar (9a, 9b) und damit aus insgesamt vier Einzelempfängern (8a, 8b, 9a, 9b) besteht.

Selbstverständlich ist das nur ein Beispiel. Es sind z. B. auch Anordnungen mit nur zwei Strahlungsempfängern (Pixeln) je anamorphotische Linse denkbar.

In Fig. 6 ist das von einer anamorphotischen Linse erzeugte Bild für den Fall dargestellt, daß der zugehörige Meßort auf dem Objekt sich im Fokus befindet. Man erkennt, daß sein Bild im dargestellten Beispiel kreisförmig ist und daß die Empfänger 8a und 8b und die Empfänger 9a und 9b gleich viel Licht bekommen. Das Objekt befindet sich also im Fokus, wenn erstens der Beleuchtungspunkt auf dem Objekt (14) fokussiert ist und zweitens sein Bild in der Empfängerebene (17b) kreisförmig ist. Besonders sei darauf hingewiesen, daß es für eine gute Funktion einer Anordnung nach der Erfindung nicht erforderlich ist, die hier dargestellte Kreisform für die Fokuslage vorzusehen. Sie stellt nur eine mögliche und günstige Form des Bildes des Objektpunktes dar. Auch Vorgehensweisen, bei denen eine vorgegebene Ellipsenform zur Fokuslage zugeordnet wird und die Auswertung entsprechend erfolgt, sind brauchbar.

Außerhalb der Fokuslage fällt beim hier erläuterten Beispiel auf eines der Empfängerpaare mehr Licht als auf das andere. Das ist in Fig. 7 dargestellt. Die Empfänger 9a und 9b erhalten mehr Licht als die Empfänger 8a und 8b. Die Unsymmetrie kehrt sich um, wenn die Lage der Probe (14) in der anderen Richtung von der Fokusstellung abweicht. Dann bekommen die Empfänger 8a und 8b mehr Licht als die Empfänger 9a und 9b. So wird das Richtungssignal gewonnen. Es ergibt sich rechnerisch aus der Gleichung

ud = (L8a + L8b) - (L9a + L9b).

Dabei bedeuten
ud das Abstandssignal, das in der Fokuslage einen vorgegebenen Wert, z. B. Null annimmt,
L8a das Signal, das der auf den Empfänger 8a fallenden Lichtmenge proportional ist,
L8b das Signal, das der auf den Empfänger 8b fallenden Lichtmenge proportional ist,
L9a das Signal, das der auf den Empfänger 9a fallenden Lichtmenge proportional ist,
L9b das Signal, das der auf den Empfänger 9b fallenden Lichtmenge proportional ist.

Das Abstandssignal kann in der Weise genutzt werden, daß innerhalb eines Meßbereiches die Fokuslage aus dem Wert ud errechnet wird. So kann auf Einstellung des exakten Sollabstandes bei der Meßfolge verzichtet werden. Es kann z. B. auch genutzt werden, um Objekte (14), die größer sind als das Sehfeld der Anordnung, in an sich bekannter Weise scannend zu vermessen. Es ist dazu möglich, während der Bewegung des Objektes (14) ein Signal der mittleren Abweichung von der Fokuslage zu errechnen und die z-Position des Objektes relativ zur Meßanordnung in einem Koordinatenmeßgerät so nachzuregeln, daß sie den Oberflächenkonturen des Objektes folgt. Geschieht dies mit einer definierten Geschwindigkeit, so daß der Rechner jeweils die Kontrolle darüber hat, auf welche Empfänger die im Sehfeld befindlichen Teilgebiete des Objektes zu unterschiedlichen Zeitpunkten abgebildet werden, gelingt es, in einer Art Schleppe einen ganzen Streifen des Objektes rasch zu erfassen und das Höhengebirge aus den registrierten Daten auszuwerten. Das wird weiter unten noch an einem Beispiel erläutert.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform des Empfängerquadrupels (8a, 8b, 9a, 9b) mit geschwärzten und dadurch lichtunempfindlichem Bereich (7) und dem kreisförmigen Bild, das in der Fokuslage von der zugehörigen anamorphotischen Linse erzeugt wird. In Fig. 9 ist die gleiche Anordnung dargestellt, jedoch mit dem ellipsenförmigen Bild, das außerhalb der Fokuslage entsteht. Man erkennt, daß das Empfängerpaar (8a, 8b) in diesem Falle gar kein Licht erhält. Das ist von Vorteil, weil so die Meßanordnung eine größere Empfindlichkeit zur Detektion der Abweichung von der Fokuslage erhält als das ohne die Schwärzung der Fall wäre.

Fig. 10 dient dem Zweck, den Strahlengang, wie er von den anamorphotischen Linsen abzubilden ist, im einzelnen zu erläutern. Es ist wichtig, das Array anamorphotischer Linsen in einem geeigneten Abstand vor dem Empfängerarray anzuordnen. Die Strahlenkegel von mehreren simultan beleuchteten Objektpunkten vor dem Detektorarray und ihre Mittellinien (81) sind dargestellt. Im Bereich (87) verlaufen die Strahlenkegel überlappend, während sie im Bereich (86) getrennt voneinander verlaufen. Das Array anamorphotischer Linsen wird zweckmäßig etwa in der Mitte (86m) des Bereiches (86) angeordnet. Dann ist der Abstand zwischen den Lichtkegeln groß genug und der Abstand zum Empfängerarray ist ebenfalls ausreichend.

Fig. 11 zeigt die Vollpupille der Telezentrieblende. Sie liegt den bisherigen Erläuterungen zugrunde. Da die Mittenstrahlen zur z-Auflösung wenig beitragen, kann es jedoch vorteilhaft sein, sie mit einer Ringblende auszublenden. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 12 abgebildet. Nur der Ring 4t ist lichtdurchlässig, so daß die zentrumsnahen Lichtstrahlen nicht mit abgebildet werden. Der Dynamikbereich des Strahlungsempfängerarrays kann so besser ausgenutzt werden, so daß außerhalb der Fokuslage ein größeres Abweichungssignal entsteht. Insofern hat die ringförmige Telezentrieblende eine ähnliche Wirkung wie die an Fig. 8 erläuterte Schwärzung des Zentrums eines Empfängerquadrupels.

Fig. 13 zeigt eine andere Ausführungsform des Arrays anamorphotischer Linsen. Die anamorphotischen Linsen (64) auf dem Array (68) sind kreisförmig begrenzt. Die Zwischenräume (88) sind lichtundurchlässig. So wird ein Teil des Lichtes, das von weit außerhalb der Fokuslage liegenden Objektpunkten stammt, vom Empfängerarray abgeschirmt. Dadurch wird eine Störsignalunterdrückung bewirkt. Diese Störsignalunterdrückung wird, wie sich aus den vorstehenden Darlegungen ergibt, durch eine Blendenfunktion bewirkt, die von den Randbegrenzungen der kreisförmigen Flächen ausgeübt wird. Im Unterschied zur vorbekannten Anordnung nach DE 40 35 799 C2 geht die Blendenfunktion von dem erfindungsgemäßen Array anamorphotischer Linsen aus und nicht vom Empfängerarray. Zudem ist die Blendenfunktion bei der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt erforderlich. Sie hat nur funktionsverbessernde Wirkung.

In Fig. 14 ist zwischen dem Kondensor (11k) bzw. dem Filter (11f) und der Schicht (12s) mit den Löchern (12l) ein Linsen-Array (22a) angeordnet, welches ebenso viele kleine Linsen (22l) enthält wie die Schicht (12s) Löcher (12l) hat. Die Linsen (22l) haben die Aufgabe, Bilder der Leuchtwendel der Lichtquelle (11) in die Löcher abzubilden und damit den Lichtpunkten eine größere Intensität zu geben.

Das Linsenarray (22a) und die Schicht (12s) mit den Löchern (12l) können - wie dargestellt - in einem gemeinsamen Teil (22g) vereinigt sein. Die Herstellung geeigneter Linsen-Arrays ist z. B. aus einer Veröffentlichung von K. Koizumi (SPIE Vol. 1128, 74 (1989)) bekannt.

Eine besonders vorteilhafte Realisierung des Beleuchtungsrasters ist in Fig. 15 dargestellt. Dort ist mit (31) ein Lichtquellen-Array bezeichnet, welches z. B. aus Lumineszenzdioden (LEDs) (31l) bestehen kann. Auch in diesem Fall kann es vorteilhaft sein, in der Beleuchtungsebene (11b) eine Schicht (32s) mit Löchern (32l) anzuordnen, damit die Lichtpunkte genügend kleine Abmessungen erhalten. Außer dem Objektiv (31o) für die Abbildung ist eine Feldlinse (31f) für die weitere Abbildung im Strahlengang zweckmäßig.

Vorteilhaft ist es, für das Beleuchtungsraster integrierte LED-Arrays zu verwenden, wie sie z. B. in einer Veröffentlichung von J. P. Donnelly (SPIE 1043, 92 (1989)) beschrieben sind. Derartige LED-Arrays haben den Vorteil, daß definierte Teilmengen der LEDs ein- und ausgeschaltet werden können. In beiden Fällen kann das Ein- und Ausschalten vom Computer (18) über die Schaltvorrichtung (19) gesteuert werden.

Der in den Fig. 1, 14 und 15 dargestellte Strahlengang zwischen Beleuchtungsebene (11b), Fokusebene (13f) und Blendenebene (17b) ist nur eine spezielle Ausführungsform von mehreren bekannten Strahlengängen, bei denen die Erfindung in für den Fachmann sofort erkennbarer Weise angewendet werden kann. Außerdem ist auch bei dem dargestellten Strahlengang eine Abbildung der Beleuchtungsebene (11b) in die Fokusebene (13f) im Maßstab 1 : 1 keineswegs notwendig. Vielmehr ist dabei nicht nur - wie von Mikroskopen bekannt - eine Verkleinerung sondern auch eine Vergrößerung möglich, weswegen in der Überschrift auch nicht die Bezeichnung Mikroskop verwendet wurde.

In der Fig. 16 wird das Beleuchtungsraster durch ein Linsen-Array (53) erzeugt, welches durch ausreichend gute Abbildungseigenschaften von einer nahezu punktförmigen Lichtquelle (51) ausreichend kleine Lichtpunkte (54) in der Beleuchtungsebene (11b) herstellt. Die Kondensorlinse (52) bewirkt, daß das Linsenarray (53) von einem Parallelbündel durchsetzt wird, so daß jede einzelne Linse (53l) optimal benutzt wird. Eine Lochrasterplatte wird hier nicht benötigt.

Fig. 17 zeigt eine Anordnung bei der durch ein Linsenarray (53) eine Blende (61) vielfach in die Beleuchtungsebene (11b) abgebildet wird. Diese Blende wird über den Kondensor (62) und die Streuscheibe (63) von der Lichtquelle (11) beleuchtet. Als Blende sind die verschiedensten Ausführungsformen möglich. Als Beispiel zeigt die Fig. 18 eine Blende (61) mit quadratischer Begrenzung des lichtdurchlässigen Bereiches (71) und einem lichtundurchlässigen Zentrum (72) für ein Beleuchtungsraster.

Fig. 19 zeigt schematisch den Verlauf (103) des Differenzsignals ud von einem Sensorquadrupel in Abhängigkeit vom Objektabstand. Es ist erkennbar, daß das Signal in der Fokuslage (100) gleich Null ist und in einem Bereich (101) bis (103) annähernd linear verläuft. Über einen Eichprozeß kann die Steigung in Bezug auf die Ablage bestimmt werden und der Abstand auch ohne Aufnahme eines Bildes in der Fokuslage selbst rechnerisch im Computer bestimmt werden. Bei Anordnungen, bei denen sich zwar kein linearer aber ein reproduzierbarer Verlauf ergibt, kann entsprechend mit einer Eichkurve (look-up-table) verfahren werden. Dies ist ein ganz wesentlicher Vorteil gegenüber den bekannten konfokalen Anordnungen.

Fig. 20 und 21 zeigen ein mechanisches Teil (105) in zwei Ansichten, das als Beispiel für die Erläuterung vorteilhafter Meßstrategien dient.

In Fig. 22 ist der Schnitt A-A durch das Teil (105) vergrößert wiedergegeben und die Folge verschiedener Bildebenen (110), die in der Meßrichtung (z- Richtung) übereinander liegen, ist dargestellt.

Fig. 23 zeigt wie Fig. 22 eine weitere Folge (110) verschiedener übereinander liegender Bildebenen zur Vermessung eines anderen Bereiches des mechanischen Teiles (105).

Bei einer Vorgehensweise wie in Fig. 22 und 23 dargestellt, ist nach Aufnahme der ersten Meßfolge ein größerer Weg ds zurückzulegen, der einen schnellen Antrieb für die Relativbewegung zwischen Werkstück und Sensor wünschenswert erscheinen läßt.

In Fig. 24 ist eine Folge 1. bis 22. von Bildebenen dargestellt, von denen einige (5. bis 11.) übereinander liegen und andere (z. B. 11. bis 22.) schräg überlappend angeordnet sind. Die Aufnahme schräg überlappender Bilder ist unter anderem vorteilhaft, wenn das Meßgerät, in dem der Sensor nach der Erfindung verwendet wird, nicht über einen schnellen Antrieb zur x-y- Bewegung des Sensors relativ zum Objekt bzw. des Objektes relativ zum Sensor verfügt. So können die Verschiebungen di kontinuierlich oder quasi­ kontinuierlich erfolgen, ohne daß ein schneller Antrieb, der hohe Beschleunigungen und rasches Anhalten ermöglicht, benötigt würde. Ohne Einbußen an Meßgeschwindigkeit kann bei Anwendung der Meßstrategie wie in Fig. 24 dargestellt mit kostengünstigen Meßsystemen rasch gemessen werden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur dreidimensionalen optischen Untersuchung eines Objektes,
mit einem in einer Beleuchtungsebene angebrachten regelmäßigen, zweidimensionalen Beleuchtungsraster (12), das eine Vielzahl von Beleuchtungspixeln (12l, 32l) erzeugt,
mit optischen Elementen (13o, 13u), die das Beleuchtungsraster (12) in eine Fokusebene am Ort des Objektes (14) und das von dort abgestrahlte Licht in eine Empfängerebene abbilden,
und mit einem Empfängerarray (17) mit lichtempfindlichen Empfängerpixeln (8a, 8b, 9a, 9b) in der Empfängerebene, welches das von den optischen Elementen (13o, 13u) übertragene Licht registriert, wobei das Rastermaß des Beleuchtungsrasters (12) ein ganzzahliges Vielfaches des Rastermaßes des Empfängerarrays (17) ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die lichtempfindlichen Bereiche benachbarter Empfängerpixel (8a, 8b, 9a, 9b) unmittelbar aneinander angrenzen,
daß vor dem Empfängerarray (17) ein Array von anamorphotischen Linsen (66) so angeordnet ist, daß einem jeden Beleuchtungspixel (12l, 32l) jeweils eine gerade Anzahl von mindestens zwei benachbarten Empfängerpixeln (8a, 8b, 9a, 9b) zugeordnet ist, die von einem zugehörigen Objektpunkt in der Fokusebene symmetrisch und gleichmäßig von diesem Beleuchtungspixel (12l, 32l) beaufschlagt werden, wobei diese Empfängerpixel (8a, 8b, 9a, 9b) umso unsymmetrischer beaufschlagt werden, je weiter dieser Objektpunkt außerhalb der Fokusebene liegt und wobei eine Messung des Abstandes dieses Objektpunktes von der Fokusebene über den Nulldurchgang (100) einer Differenzmessung benachbarter Empfängerpixel (8a, 8b, 9a, 9b) interpolierend erfolgt,
und daß ein Computer (18) für unsymmetrisch beaufschlagte Empfängerpixel (8a, 8b, 9a, 9b) aus deren entgegengesetzten Signalwerten anhand des Nulldurchgangs (100) zwischen diesen beiden Signalwerten individuell für den jeweils zugehörigen Objektpunkt dessen Abweichung von der Fokuslage und damit dessen Tiefenwert ermittelt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anamorphotischen Linsen (66) kreisförmig begrenzt und durch lichtundurchlässige Zwischenräume (88) voneinander getrennt sind, so daß für jeden Objektpunkt die störende Auswirkung von Licht anderer Objektpunkte herabgesetzt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt über eine telezentrische, die Mittenstrahlen ausblendende Ringpupille (4t) beleuchtet wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichet, daß der Zentralbereich benachbarter Empfängerpixel (8a, 8b, 9a, 9b) lichtunempfindlich ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Array anamorphotischer Linsen (66) in einem Abstand vor dem Empfängerarray (17) angeordnet ist, in dem für ein ebenes, reflektierendes Objekt im Fokusabstand auch die Randstrahlen der Beleuchtungspixel (12l, 32l) innerhalb der von den anamorphotischen Linsen (66) erfaßten Apertur zu liegen kommen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Beleuchtungsrasters (12) eine Blende mit lichtundurchlässigem Zentralbereich mehrfach abgebildet wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für Auflichtanwendungen das dem Empfängerarray (17) zugeführte Objektlicht über einen halbdurchlässigen Strahlteiler ausgekoppelt wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für Fluoreszenzanwendungen das dem Empfängerarray (17) zugeführte Objektlicht über einen dichroitischen Strahlteiler ausgekoppelt wird.