DE19703741C2 - Optical measuring method for absolute three-dimensional measurement of the shape of objects - Google Patents

Optical measuring method for absolute three-dimensional measurement of the shape of objects

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Meßverfahren zur absoluten dreidimensionalen Messung der Form von Objekten. DOLLAR A Die üblichen interferometrischen Meßverfahren arbeiten zyklisch absolut, das heißt die Entfernung wird nur innerhalb einer Periode des Interferenzstreifenmusters hochgenau gemessen. Der Meßwert ist vieldeutig. Eine Verschiebung des Objektes um einer Periode führt zum selben Meßergebnis. DOLLAR A Diesen Nachteil weist das hier vorgestellte Meßverfahren nicht auf. DOLLAR A Zur Messung wird das Licht aus einer einzelnen Lichtquelle (1) geteilt und in einer ersten Ausführungsform durch mindestens zwei räumlich voneinander getrennte Spalten (3a, 3e) geführt und auf der Objektoberfläche zur Interferenz gebracht (Fig. 1). DOLLAR A Die Periodenlänge der Interferenzmuster (5) hängt von der Lichtwellenlänge und dem Abstand der Spalten (3a und 3e) ab. Die Phasenlage der Interferenzmuster hängt von der Phasendifferenz des Lichtes an den Spalten ab. Die Grauwerte aller zu vermessenden Oberflächenpunkte werden vorzugsweise mit einer oder mehreren elektronischen Kameras erfaßt und gespeichert. DOLLAR A Zur Gewinnung einer Rohphase für jedes zu messende Oberflächenelement werden mehrere Projektionen mit Variation der Beleuchtungsphase an den Spalten nach dem bekannten Phasenshiftverfahren durchgeführt. Hierzu sind ein oder mehrere optische Phasenschieber (6) vorgesehen. DOLLAR A Zur Gewinnung der absoluten Phase für jedes zu messende Oberflächenelement wird der Abstand der Spalten (3a, 3e) mehrmals ...The invention relates to an optical measuring method for the absolute three-dimensional measurement of the shape of objects. DOLLAR A The usual interferometric measuring methods work absolutely cyclically, that is, the distance is measured with high precision only within one period of the interference fringe pattern. The measured value is ambiguous. Moving the object by one period leads to the same measurement result. DOLLAR A The measuring method presented here does not have this disadvantage. DOLLAR A For measurement, the light is divided from a single light source (1) and, in a first embodiment, passed through at least two spatially separate columns (3a, 3e) and brought to interference on the object surface (FIG. 1). DOLLAR A The period length of the interference pattern (5) depends on the light wavelength and the distance between the columns (3a and 3e). The phase position of the interference pattern depends on the phase difference of the light at the columns. The gray values of all surface points to be measured are preferably recorded and stored with one or more electronic cameras. DOLLAR A To obtain a raw phase for each surface element to be measured, several projections with variation of the lighting phase are carried out on the columns according to the known phase shift method. For this purpose, one or more optical phase shifters (6) are provided. DOLLAR A To obtain the absolute phase for each surface element to be measured, the distance between the columns (3a, 3e) is repeated several times ...

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Meßverfahren zur absoluten dreidimensionalen Messung der Form von Objekten.The invention relates to an optical measuring method for the absolute three-dimensional measurement of Shape of objects.

Die üblichen interferometrischen Meßverfahren arbeiten zyklisch absolut, das heißt die Entfernung wird nur innerhalb einer Periode des Interferenzstreifenmusters hochgenau gemessen. Der Meßwert ist vieldeutig. Eine Verschiebung des Objektes um eine Periode führt zum selben Meßergebnis.The usual interferometric measuring methods work cyclically absolutely, that is Distance is measured with high accuracy only within one period of the interference fringe pattern. The measured value is ambiguous. Moving the object by one period leads to the same Measurement result.

Diesen Nachteil weist das hier vorgestellte Meßverfahren nicht auf.The measuring method presented here does not have this disadvantage.

Zur Messung wird das Licht aus einer einzelnen Lichtquelle (1) geteilt und in einer ersten Ausführungsform durch mindestens zwei räumlich voneinander getrennte Spalte (3a, 3e) geführt und auf der Objektoberfläche zu Interferenz gebracht (Fig. 1).For the measurement, the light is divided from a single light source ( 1 ) and, in a first embodiment, passed through at least two spatially separated columns ( 3 a, 3 e) and brought to interference on the object surface ( FIG. 1).

Die Periodenlänge der Interferenzmuster (5) hängt von der Lichtwellenlänge und dem Abstand der Spalten (3a und 3e) ab. Die Phasenlage der Interferenzmuster hängt von der Phasendifferenz des Lichtes an den Spalten ab. Die Grauwerte aller zu vermessenden Oberflächenpunke werden vorzugsweise mit einer oder mehreren elektronischen Kameras erfaßt und gespeichert.The period length of the interference pattern ( 5 ) depends on the light wavelength and the distance between the columns ( 3 a and 3 e). The phase position of the interference pattern depends on the phase difference of the light at the columns. The gray values of all surface points to be measured are preferably recorded and stored with one or more electronic cameras.

Zur Gewinnung einer Rohphase für jedes zu messende Oberflächenelement werden mehrere Projektionen mit Variation der Beleuchtungsphase an den Spalten nach dem bekannten Phasenshiftverfahren durchgeführt. Hierzu sind ein oder mehrere optische Phasenschieber (6) vorgesehen.In order to obtain a raw phase for each surface element to be measured, several projections with variation of the lighting phase are carried out on the columns according to the known phase shift method. For this purpose, one or more optical phase shifters ( 6 ) are provided.

Zur Gewinnung der absoluten Phase für jedes zu messende Oberflächenelement wird der Abstand der Spalten (3a, 3e) mehrmals verändert. Damit erhält man jeweils eine andere synthetische Wellenlänge der Interferenzmuster. Hierzu ist mindestens ein Spalt verschieblich angeordnet oder es wird jeweils ein anderes festes Spaltpaar (3a . . . 3e) ersatzweise ausgeleuchtet. Es wird wiederum jeweils eine Bestimmung der Rohphase durchgeführt. Danach wird aus den Rohphasen nach dem bekannten Mehrwellenlängenverfahren die absolute Phase der beleuchteten Oberflächenpunkte bestimmt.To obtain the absolute phase for each surface element to be measured, the distance between the columns ( 3 a, 3 e) is changed several times. This results in a different synthetic wavelength of the interference pattern. For this purpose, at least one slit is slidably arranged or another fixed pair of slits ( 3 a... 3 e) is illuminated as an alternative. The raw phase is again determined in each case. The absolute phase of the illuminated surface points is then determined from the raw phases using the known multi-wavelength method.

Zur Vermeidung nicht auswertbarer Objektbereiche an Symmetrielinien (10) werden weitere absolute Phasenmessungen mit optischen Spalten durchgeführt, die unsymmetrisch zu diesen Symmetrielinien angeordnet sind.To avoid non-evaluable object areas on lines of symmetry ( 10 ), further absolute phase measurements are carried out with optical columns which are arranged asymmetrically with respect to these lines of symmetry.

Vorteil der ErfindungAdvantage of the invention

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können alle mit dem Interferenzmuster beleuchteten Oberflächenpunkte simultan gemessen werden. Das Verfahren kann mit einer einzigen Lichtquelle arbeiteten. Es werden keine aufwendigen phasenstarr synchronisierten Laserlichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge und wohldefiniertem Frequenz- bzw. Wellenlängen-Verhältnis benötigt. Die optischen Spalte mit ihren kritischen Abständen können auf einem gemeinsamen Träger fest angeordnet werden. Zum Einstellen anderer Spaltenabstände kann beispielsweise ein Träger (8) mit Hilfsmasken (8a, 8b) mechanisch mit unkritischen Positionieranforderungen bewegt werden so, daß andere Spalten (3a . . . 3e) ausgeleuchtet werden, die einen festen Abstand zueinander haben.With the method according to the invention, all surface points illuminated with the interference pattern can be measured simultaneously. The method can work with a single light source. No complex phase-locked synchronized laser light sources of different wavelengths and well-defined frequency or wavelength ratios are required. The optical gaps with their critical distances can be arranged on a common support. To set other column spacings, for example, a carrier ( 8 ) with auxiliary masks ( 8 a, 8 b) can be moved mechanically with uncritical positioning requirements so that other columns ( 3 a... 3 e) are illuminated that have a fixed distance from one another.

Die Interferenzerscheinung tritt auf dem Objekt selbst auf. Die erzeugenden Lichtbündel haben nahezu denselben optischen Weg. Störungen durch Erschütterungen und Luftbewegungen wirken sich nur schwach auf das Meßergebnis aus.The interference phenomenon occurs on the object itself. Have the generating light beams almost the same optical path. Disturbances caused by vibrations and air movements only weakly affect the measurement result.

Unterschiedliche Reflexionseigenschaften der Oberflächenpunkte wirken sich im Vergleich zu Interferometern mit internem Referenzspiegel nur wenig störend aus, da beide Teilstrahlen nahezu gleich abgeschwächt werden.Different reflection properties of the surface points have an effect in comparison to Interferometers with an internal reference mirror are only slightly disruptive, since both partial beams be weakened almost immediately.

Zur Beobachtung der Tiefenwirkung kann die Kamera an einem beliebigen Ort angeordnet sein. Sie muß also nicht wie bei den Triangulationsverfahren seitlich abgesetzt sein mit dem daraus resultierenden Abschattungsproblem. Durch die kurze Wellenlänge des Lichtes treten bereits bei geringem Abstand der Teillichtquellen hinreichend kleine synthetische Periodenlängen der Interferenzmuster auf, so daß z. B. in engen Bohrungen gemessen werden kann.The camera can be arranged at any location to observe the depth effect. So it does not have to be offset as with the triangulation method with the one from it resulting shading problem. Due to the short wavelength of the light already join short distance between the partial light sources sufficiently small synthetic period lengths of Interference pattern, so that z. B. can be measured in narrow bores.

Zusätzlich kann nach dem selben Mehrfrequenzverfahren durch redundante Messungen auch der zunächst unbekannte Phasenoffset von Speckles bestimmt bzw. eliminiert werden, so daß sich das Verfahren auch auf technische Oberflächen anwenden läßt. In addition, the redundant measurements can also be performed using the same multi-frequency method initially unknown phase offset of speckles can be determined or eliminated so that the method can also be applied to technical surfaces.  

Das Verfahren läßt sich sowohl mit einer Laserlichtquelle (1) als auch einer - vorzugsweise monochromatischen - Lichtquelle mit einer für den Meßbereich hinreichenden Kohärenzlänge betreiben.The method can be operated both with a laser light source ( 1 ) and with a - preferably monochromatic - light source with a coherence length sufficient for the measuring range.

Weitere AusführungsbeispieleOther embodiments

In einem zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 2) werden die Spalte durch kippbare Spiegel (9a, 9b) z. B. des bekannten digitalen Mirror Devices (DMD) ersetzt. Die Spiegel sind in einem zweidimensionalen Array angeordnet. Jeder Spiegel hat zwei definierte stabile Kippstellungen. In der ersten Stellung wird das Licht auf das Objekt gespiegelt. Je eine Gruppe von Spiegeln (9a, 9b) in dieser ersten Kippstellung übernimmt die Funktion eines Spaltes des ersten Ausführungsbeispiels. Die anderen Spiegel (hier nicht eingezeichnet) befinden sich in der zweiten Kippstellung und lenken das Licht auf eine Blende, die das Licht absorbiert. Die Phasenschiebung wird hier ebenfalls vorzugsweise durch die Variation der optischen Weglänge (6) zwischen der Lichtquelle und dem DMD hervorgerufen. Die Variation der Spaltabstände wird durch das elektrisch gesteuerte Kippen anderer Spiegelgruppen in die erste Kippstellung nachgebildet.In a second embodiment ( Fig. 2) the column by tiltable mirror ( 9 a, 9 b) z. B. the known digital mirror device (DMD) replaced. The mirrors are arranged in a two-dimensional array. Each mirror has two defined stable tilt positions. In the first position, the light is reflected on the object. Each group of mirrors ( 9 a, 9 b) in this first tilt position takes on the function of a gap in the first exemplary embodiment. The other mirrors (not shown here) are in the second tilt position and direct the light onto an aperture that absorbs the light. The phase shift is here also preferably caused by the variation in the optical path length ( 6 ) between the light source and the DMD. The variation of the gap distances is simulated by the electrically controlled tilting of other mirror groups into the first tilt position.

Im Folgenden wird der Begriff Teillichtquellen anstelle von ausgeleuchteten Spalten oder Spiegelgruppen etc. verwendet.In the following, the term partial light sources is used instead of illuminated columns or Mirror groups etc. used.

In einer dritten Ausführung wird die Phasenverschiebung durch die Parallelverschiebung der Teillichtquellen bei vorzugsweise konstantem Abstand der Teillichtquellen erzeugt.In a third embodiment, the phase shift is caused by the parallel shift of the Partial light sources are generated at a preferably constant distance between the partial light sources.

Zur besseren Ausnutzung der Lichtleistung der Lichtquelle können statische oder mechanisch oder elektrisch bzw. elektronisch schaltbare physikalische Strahlteiler, Lichtmodulatoren, Shutter, Querschnittswandler, flexible oder feste Lichtleiter etc. zur Ausleuchtung der Spalte bzw. der Spiegelarrays bzw. als Teillichtquellen eingesetzt werden. Es können auch diskrete Lichtquellen oder Arrays von speziellen, vorzugsweise Halbleiter-Lichtquellen mit zwei- oder mehrseitigem Lichtaustritt verwendet werden, so daß sich ein kompakter Aufbau der Geräte ergibt.To better utilize the light output of the light source, static or mechanical or electrically or electronically switchable physical beam splitters, light modulators, Shutter, cross-section converter, flexible or fixed light guide etc. for illuminating the column or the mirror arrays or used as partial light sources. It can also be discrete Light sources or arrays of special, preferably semiconductor light sources with two or Multi-sided light emission are used, so that there is a compact structure of the devices results.

In einer weiteren Ausführung werden phasenstarr gekoppelte (Laser-)Lichtquellen als Teillichtquellen verwendet.In a further embodiment, phase-locked coupled (laser) light sources are used as Partial light sources used.

In einer weiteren Auswertung werden Laserlichtquellen mit geringfügig unterschiedlicher Wellenlänge (Frequenz) als Teillichtquellen verwendet. Ein Teil ihres Lichtes wird im Projektionskopf auf mindestens einem Lichtempfänger überlagert. Es wird mindestens ein Wechselspannungssignal mit der Differenzfrequenz der optischen Strahlung der Teillichtquellen erzeugt. Mindestens eine Kamera wird mit ihrer Auswerteelektronik phasenstarr zu diesem Wechselspannungssignal ausgewertet. Dazu ist sie mit einem elektronischen Shutter ausgestattet. In naher Zukunft werden auch phase-locked-loop (PLL) Kameras erhältlich sein, so daß das Licht in der Kamera über einen längeren Zeitraum hinweg phasenrichtig akkumuliert werden kann. Weitere Messungen der Grauwerte der Oberflächenpunkte werden mit solchen Kameras mit unterschiedlicher Phasenlage des Wechselspannungssignales aufgenommen und zu Rohphasen verarbeitet. dazu ist ein elektronischer Phasenschieber für das Wechselspannungs- Signal vorzusehen. Man kann sich damit einen optischen Phasenschieber ersparen.In a further evaluation, laser light sources with slightly different Wavelength (frequency) used as partial light sources. Part of their light is Projection head superimposed on at least one light receiver. It will be at least one  AC voltage signal with the difference frequency of the optical radiation of the partial light sources generated. At least one camera becomes phase-locked with its evaluation electronics AC signal evaluated. For this purpose, it is equipped with an electronic shutter. In the near future phase-locked-loop (PLL) cameras will also be available, so that Light in the camera can be accumulated in phase over a longer period of time can. Further measurements of the gray values of the surface points are made with such cameras recorded with different phase position of the AC voltage signal and closed Raw phases processed. there is an electronic phase shifter for the AC voltage Provide signal. You can save yourself an optical phase shifter.

Die Teillichtquellen können von einem gemeinsamen optischen Kondensor (7) ausgeleuchtet werden oder jedoch mit eigenen optischen Kondensoren bestückt sein.The partial light sources can be illuminated by a common optical condenser ( 7 ) or can be equipped with their own optical condensers.

Die Erzeugung der Interferenzmuster kann durch die direkte Ausleuchtung des Objektes mit dem Licht aus den Teillichtquellen oder durch ein gemeinsames Objektiv für alle Teillichtquellen oder durch einzelne, den Teillichtquellen zugeordnete Objektive erfolgen.The interference pattern can be generated by directly illuminating the object with the Light from the partial light sources or through a common lens for all partial light sources or by individual lenses assigned to the partial light sources.

Claims (12)

1. Verfahren zur absoluten optischen Messung der Form von Objekten, bei dem:
das Licht einer Lichtquelle in mindestens zwei vorzugsweise lineare Teillichtquellen aufgeteilt wird, die in einem definierten Abstand von einander angeordnet sind,
das Licht aus den Teillichtquellen auf das Objekt gelenkt wird und dort interferiert und dort Interferenzmuster mit synthetischen räumlichen Perioden bildet,
die Oberfläche des beleuchteten Objektes mit mindestens einer Kamera beobachtet wird und die Helligkeit für jeden zu messende Oberflächenpunkt gemessen und gespeichert wird,
die Messung und Speicherung nach dem Phasenshift-Prinzip mehrmals wiederholt wird, wobei durch optische Phasenschieber die Phasenlage der Interferenzmuster zwischen den Messungen verändert wird,
aus den Messungen Rohphasen zu jedem Meßpunkt auf der Objektoberfläche ermittelt und gespeichert werden, die zyklische Mehrdeutigkeiten entsprechend der Periodenlänge der Interferenzmuster aufweisen,
die Rohphasen für dieselben Oberflächenpunkte mehrmals mit jeweils veränderten synthetischen Perioden der Interferenzmuster bestimmt und gespeichert werden, indem der Abstand der Teillichtquellen verändert wird, und
aus mehreren Rohphasen entsprechend dem Mehrfrequenz-Phasenshiftverfahren eine absolute Phase für alle Meßpunkte auf der Objektoberfläche berechnet wird.
1. Method for absolute optical measurement of the shape of objects, in which:
the light from a light source is divided into at least two, preferably linear, partial light sources which are arranged at a defined distance from one another,
the light from the partial light sources is directed onto the object and interferes there and forms interference patterns with synthetic spatial periods there,
the surface of the illuminated object is observed with at least one camera and the brightness is measured and stored for each surface point to be measured,
the measurement and storage is repeated several times according to the phase shift principle, the phase position of the interference pattern between the measurements being changed by optical phase shifters,
raw phases for each measuring point on the object surface are determined and stored from the measurements, which have cyclical ambiguities corresponding to the period length of the interference pattern,
the raw phases for the same surface points are determined and stored several times with respectively changed synthetic periods of the interference pattern by changing the distance between the partial light sources, and
an absolute phase for all measuring points on the object surface is calculated from several raw phases in accordance with the multi-frequency phase shift method.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:
die Veränderung der synthetischen Periodenlänge durch unterschiedliche Kombinationen fester Spalte erzielt wird.
2. The method according to claim 1, characterized in that:
the change in the synthetic period length is achieved by different combinations of fixed gaps.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß:
mechanisch verschiebbare Hilfsmasken (8a, 8b) zur Abdeckung nicht benutzter Spalte bzw. Ausleuchtung der benutzten Spalte zur Bildung der Teillichtquellen verwendet werden.
3. The method according to claim 2, characterized in that:
mechanically displaceable auxiliary masks ( 8 a, 8 b) are used to cover unused gaps or to illuminate the used gaps to form the partial light sources.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:
als Teillichtquellen beleuchtete Spiegel verwendet werden.
4. The method according to claim 1, characterized in that:
Illuminated mirrors can be used as partial light sources.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß:
die Spiegel in ihrem Kippwinkel durch elektrische Signale schaltbar sind.
5. The method according to claim 4, characterized in that:
the angle of the mirrors can be switched by electrical signals.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß:
einzelne Teillichtquellen durch Gruppen solcher schaltbaren Spiegel gebildet werden.
6. The method according to claim 5, characterized in that:
individual partial light sources are formed by groups of such switchable mirrors.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß:
mehrere absolute Phasenmessungen der Oberflächenpunkte durchgeführt werden mit unterschiedlichen Symmetrielinien.
7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that:
several absolute phase measurements of the surface points are carried out with different lines of symmetry.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß:
durch hinreichend viele Messungen der Rohphasen von Oberflächenpunkten auch die absolute Phase von Speckles, die sich auf den Oberflächenpunkten befinden, berechnet wird.
8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that:
the absolute phase of speckles located on the surface points is also calculated by a sufficient number of measurements of the raw phases of surface points.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß:
als Lichtquelle ein monochromer Temperaturstrahler verwendet wird.
9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that:
a monochrome temperature radiator is used as the light source.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß:
zur Ausleuchtung sichtbares Licht verwendet wird.
10. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that:
visible light is used for illumination.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß:
zur Ausleuchtung infrarotes Licht verwendet wird.
11. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that:
infrared light is used for illumination.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß:
zur Ausleuchtung ultraviolettes Licht verwendet wird.
12. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that:
ultraviolet light is used for illumination.
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