DE19855324A1 - Verfahren zur Projektion periodischer Intensitätsprofile mittels binärer Amplitudenmasken - Google Patents
Verfahren zur Projektion periodischer Intensitätsprofile mittels binärer AmplitudenmaskenInfo
- Publication number
- DE19855324A1 DE19855324A1 DE1998155324 DE19855324A DE19855324A1 DE 19855324 A1 DE19855324 A1 DE 19855324A1 DE 1998155324 DE1998155324 DE 1998155324 DE 19855324 A DE19855324 A DE 19855324A DE 19855324 A1 DE19855324 A1 DE 19855324A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- period
- rectangles
- projection
- corresponds
- decomposed
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
- G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Holo Graphy (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Beschrieben wird ein Streifenprojektionssystem für die optische Meßtechnik, bei dem die zu projizierende Intensitätsverteilung durch ein spezielles Verfahren in eine binäre Amplitudenmaske kodiert wird. In Verbindung mit der optischen Übertragungsfunktion des Projektors wird die binäre Amplitudenstruktur der kodierten Maske in eine kontinuierliche Intensitätsverteilung auf dem Meßobjekt umgewandelt. Das Verfahren zeichnet sich durch einen extrem geringen Oberwellenanteil des projizierten Musters aus, wodurch die Auswertung der durch das Meßobjekt verzerrten Streifen besonders einfach und zuverlässig wird.
Description
Eines der gängigsten optischen Verfahren zur Erfassung der Oberflächengestalt
allgemeiner Körper ist das Streifenprojektionsverfahren. Häufig wird es auch als
phasenmessende Triangulation bezeichnet. Das Prinzip zeigt Fig. 1. Das Meßob
jekt wird aus einer definierten Richtung, der Beleuchtungsrichtung, mit einem
periodischen Intensitätsmuster beleuchtet. Unter einem bestimmtem Winkel da
zu, dem sog. Triangulationswinkel, erfolgt die Beobachtung. Aus der Deformation
des Streifensystems erhält man die benötigte Information über die Oberflächen
gestalt.
Eine Schlüsselkomponente für dieses Meßverfahren stellt das Projektionssy
stem zur Bereitstellung des strukturierten Beleuchtungsfeldes dar. Zu dieser Pro
blematik sind bereits eine Vielzahl von Lösungen in der Literatur bekanntgewor
den und z. T. auch kommerziell erhältlich.
Zunächst kann man die Verfahren in zwei Klassen einteilen: 1. interferometri
sche Verfahren, und 2. inkohärente oder partiell kohärente Gitterprojektionsver
fahren.
Interferometrische Verfahren nutzen das Prinzip der Zweistrahlinterferenz zur
Erzeugung sinusförmiger Intensitätsmuster. Dabei kann selbst bei hohen Orts
frequenzen eine sehr hohe Schärfentiefe erreicht werden. Theoretisch ist sogar
unendliche Schärfentiefe erreichbar, praktisch sind Tiefen im m-Bereich reali
sierbar. Möglichst sinusförmige Muster sind für das am häufigsten verwendete
und derzeit genaueste Auswerteverfahren notwendig. Auf eine Klassifikation und
Beschreibung der verschiedenen Auswerteverfahren soll hier nicht eingegangen
werden.
Für eine interferometrisch erzeugte Beleuchtung benötigt man räumlich kohären
te Lichtquellen hoher Strahldichte, d. h. es kommen praktisch nur Laser zum
Einsatz. Durch die hohe Kohärenz kommt es bei der Beleuchtung technischer
Oberflächen zum Auftreten von Speckle, was eine Auswertung des beobachtbaren
Streifensystems erschwert, und oft sogar unmöglich macht. Für viele Anwendun
gen stellt außerdem die Verwendung von Lasern aufgrund der vorgeschriebenen
Laserschutzmaßnahmen ein Problem dar.
Diese Problematik wird von den Gitterprojektionsverfahren vermieden. Im
einfachsten Fall arbeitet man hier mit der Projektion eines Strichgitters mit ei
nem Tastverhältnis von 1 : 1 (sog. Ronchi-Gitter). Zur Vermeidung höherer har
monischer Anteile wird das Gitter meist unscharf projiziert, was aber erheblich
reduzierten Kontrast zur Folge hat. Eine andere Variante benutzt ein speziell
an die Gitterfrequenz angepaßtes Phasenfilter, das man in die Pupille des Ab
bildungssystems einbringt, und das die Übertragung höherer Frequenzen unter
bindet. Aber auch bei diesem Verfahren werden die höheren Ordnungen in eine
gleichmäßigen Grundhelligkeit transformiert, was wiederum genau wie bei un
scharfer Abbildung zu deutlichen Kontrasteinbußen führt.
Daher versucht man, die notwendige Sinusverteilung bereits im Gitter be
reitzustellen. Zu ihrer Kodierung werden häufig Verfahren angewendet, die aus
der digitalen Bildverarbeitung und dem Zeitungsdruck bekannt sind [1]. Einige
Stichworte aus diesem Bereich sind Fehlerdiffusion, Rasterdruck, Dithering, usw.
Durch rasterförmige oder zufällige Substrukturierung des Gitters wird in Verbin
dung mit einer Tiefpaßfilterung, z. B. wiederum durch unscharfe Abbildung, das
Ergebnis erreicht. Leider läßt sich bei diesen Verfahren die zwangsläufige Erzeu
gung weiterer Frequenzanteile nur unzureichend steuern, so daß die projizierten
Muster eine verfahrensbedingte Restrauheit aufweisen, die die Genauigkeit des
gesamten Meßsystems begrenzen.
Bestimmte Kodierungsverfahren aus der Computerholographie [2], wie z. B.
die Modulation der Pulsbreiten einer geeigneten Trägerfrequenz, sind hier über
legen und wurden bereits erfolgreich zur Beleuchtung mikroskopischer Objekte
in mikroskopischen Streifenprojektionssystemen eingesetzt [3]. Leider lassen sich
diese Verfahren aber kaum zur Vermessung makroskopischer Körper verwenden,
weil man hier mit vergrößernden Abbildungssystemen arbeiten muß. In der Rück
projektion in die Maskenebene werden die Strichbreiten dann selbst für mikroli
thographische Herstellungsmethoden zu gering.
Ein sehr geschicktes Gitterprojektionsverfahren wurde von Gruber et.al. be
schrieben [4]. Bei diesem wird eine Maske, die den Graphen eines Sinusmusters
enthält, über eine anamorphotische Abbildung nur in einer Dimension scharf
auf das Objekt abgebildet. In der anderen Dimension ist die Abbildung so un
scharft eingestellt, daß die eindimensional integrierte Projektion der Nlaske wirk
sam wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, daß keine Standardoptik
verwendet werden kann, was den Aufbau teuer und damit unwirtschaftlich macht.
Außerdem ist die Korrektur anamorphotischer Systeme nicht trivial. Verbleiben
de Restaberrationen machen sich aber als Störungen im Projektionsmuster und
später in der Auswertung des Streifensystems bemerkbar.
Ebenfalls zu den Gitterprojektionsverfahren zu rechnen sind die sog. Binärco
deverfahren. Bei diesen wird mit Hilfe eines LCD-Projektors eine Folge von s/w-
Binärcodes auf das Objekt projiziert, aufgenommen und ausgewertet. Da diese
Verfahren aber nicht mit den hochgenauen Phasenauswerteverfahren kompatibel
sind, werden sie im folgenden nicht weiter betrachtet.
In einer laufenden Patentanmeldung wird eine Kombination aus Gitterpro
jektion und partiell kohärenter Laserbeleuchtung beschrieben, die verspricht, eine
Streifenprojektion mit sehr hoher Schärfentiefe, hohem Kontrast und geringem
Specklerauschen zu erzeugen [5]. Da aber das Problem des Laserschutzes bestehen
bleibt, sind weitere Verbesserungen im Bereich der inkohärenten Gitterprojekti
onsverfahren nach wie vor wünschenswert und technisch wichtig. Außerdem sind
die hier verwandten thermischen Lichtquellen leichter handhab- und verfügbar.
Deshalb wird im folgenden Abschnitt ein neues Verfahren zur Kodierung gege
bener Intensitätsprofile in binäre Amplitudenmasken beschrieben, das u. a. die
Erzeugung eines sinusförmigen Profils für die Streifenprojektion erlaubt.
Das vorgeschlagene Verfahren wird im folgenden anhand des Beispiels einer Si
nusprojektion beschrieben, ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt.
Es soll ein sinusförmiges Muster der Periode px erzeugt werden. Die zur Pe
riode px gehörige Ortsfrequenz vx = 1/px soll selbstverständlich innerhalb des
Ubertragungsbereichs des Projektionsobjektivs liegen. Fig. 2 veranschaulicht
das vorgeschlagene Kodierverfahren. Das periodische Sinusprofil wird in eine Viel
zahl von Rechtecken zerlegt, deren Breite mit der Periode px übereinstimmt. Die
Höhe der Rechtecke, und damit die Periode py in y-Richtung, soll jedoch sehr viel
kleiner sein, so daß nur die nullte Beugungsordnung der y-Gitterstruktur durch
das Projektionssystem gelangen kann. Höhere Ordnungen werden in der Aper
turblende des Objektivs ausgeblendet bzw. laufen überhaupt an der Öffnung des
Objektivs vorbei.
Jede rechteckige Zelle wird nun mit einer Füllung entsprechend dem mathe
matische Graphen einer Sinusschwingung versehen. Da in der nullten Beugungs
ordnung nur das Flächenverhältnis zwischen transparenten und opaken Bereichen
entscheidend ist, erhält man somit in der Projektionsebene die gewünschte Sinus
verteilung.
Oft arbeitet man bei der Streifenprojektion mit schräger Beleuchtung, aber
senkrechter Beobachtung. In diesem Fall variiert die Periode der projizierten
Streifen auf dem Meßobjekt. Dieser Effekt kann durch Einbeziehung einer kolli
nearen Transformation in die Gitterberechnung ausgeglichen werden. Man erhält
dann die in Fig. 3 gezeigte Struktur.
Durch die Unabhängigkeit des neuen Kodierverfahrens von der Kohärenz der ver
wendeten Lichtquelle vermeidet es die in Abschnitt 1 genannten Schwierigkeiten
interferometrischer Verfahren. Im folgenden soll das neue Kodierverfahren den
bisher bekannten Verfahren zur Gitterprojektion gegenübergestellt werden.
Bei dem am häufigsten angewendeten Gitterprojektionsverfahren, nämlich der
unscharfen Projektion eines Ronchi-Gitters, weist die generierte Intensitätsvertei
lung verfahrensbedingt nur geringen Kontrast auf. Das gleiche gilt für Verfahren,
die mittels spezieller Pupillenfunktionen (z. B. stochastischer Phasenterme) die
Oberwellen im Bild unterdrücken. Deshalb sind eindeutig Verfahren vorzuziehen,
die die gewünschte Verteilung bereits kodiert vor der Projektion bereitstellen.
Bekannte Verfahren des digital halftoning und der Computerholographie, wie
z. B. die Pulsbreiten-Modulation, leisten dies, jedoch werden zur Kodierung hoch
frequente Träger benötigt. Falls die darzustellende Verteilung bereits selbst eine
hohe Ortsfrequenz aufweist, sind diese Ansätze nicht mehr praktikabel, weil die
nötigen Strukturgrößen zu klein werden. Hier schafft das vorgeschlagene Verfah
ren deutliche Vorteile.
Das neue Verfahren besitzt eine gewisse Ähnlichkeit mit dem von Gruber
verwendeten Verfahren [4], das das gewünschte Profil durch eine nur in einer Di
mension scharfe Abbildung quasi integrierend aus einer binären Maske generiert.
Nachteilig ist dabei jedoch, daß die benötigten anamorphotischen Projektionssy
steme teure Einzellösungen darstellen, die zudem noch schwer bzgl. ihrer Aber
rationen zu korrigieren sind.
Durch den Ansatz, den Funktionsgraphen zellorientiert in Rechtecke unterhalb
der Auflösungsgrenze einer Standard-Abbildungsoptik zu kodieren, werden die
se Probleme gelöst, ohne unrealistisch kleine Strukturen bereitstellen zu müssen.
Ein Zahlenbeispiel möge dies verdeutlichen: Ein gutes 10 × Vergrößerungsobjektiv
weist eine Grenzfrequenz von ca. 100 lp/mm auf. Mit Rechteckhöhen von immer
noch 5 µm ist man bereits deutlich unter diesem Limit. Die Kantenlage des Funk
tionsprofils kann man mit moderner Elektronenstrahllithographie auf wenige nm
spezifizieren. Selbst wenn man bei einer vorsichtigen Abschätzung von 50 nm für
die Genauigkeit der Kantenlage ausgeht, lassen sich so immer noch 100 verschie
dene Graustufen innerhalb einer Elementarzelle realisieren.
[1] R. A. Ulichney, Digital halftoning, MIT Press, 1987.
[2] W.-H. Lee, "Computer-generated holograms: techniques and applications", in Progress In Optics, Vol. 16, E. Wolf, Ed., pp. 119-232, North-Holland, Amsterdam (1978).
[3] R. Windecker, M. Fleischer, H. J. Tiziani, "Three-dimensional topometry with stereo microcopes," Opt. Eng. 36, 3372-3377 (1997).
[4] M. Gruber, G. Häusler, "Robust and accurate phase-measuring triangulati on," Optik 89, 118-122 (1992).
[5] J. Schwider, "Hocheffizientes Beleuchtungssystem zur Projektion von sinus förmigen Streifen mit hoher Schärfentiefe," Deutsche Patentanmeldung, Ak tenzeichen 197 55 820.8, (16.12.97).
[2] W.-H. Lee, "Computer-generated holograms: techniques and applications", in Progress In Optics, Vol. 16, E. Wolf, Ed., pp. 119-232, North-Holland, Amsterdam (1978).
[3] R. Windecker, M. Fleischer, H. J. Tiziani, "Three-dimensional topometry with stereo microcopes," Opt. Eng. 36, 3372-3377 (1997).
[4] M. Gruber, G. Häusler, "Robust and accurate phase-measuring triangulati on," Optik 89, 118-122 (1992).
[5] J. Schwider, "Hocheffizientes Beleuchtungssystem zur Projektion von sinus förmigen Streifen mit hoher Schärfentiefe," Deutsche Patentanmeldung, Ak tenzeichen 197 55 820.8, (16.12.97).
Claims (5)
1. Verfahren zur Projektion periodischer Intensitätsverteilungen, gekennzeich
net dadurch, daß eine binäre Amplitudenmaske so strukturiert wird,
daß jede Periode in eine hinreichend große Anzahl von Rechtecken zer
legt wird, deren Breite der Periode entspricht und deren Höhe unterhalb
der Auflösungsgrenze des Projektionssystems liegt, wobei innerhalb jedes
Rechtecks der mathematische Graph des zu erzeugenden Intensitätsprofils
gezeichnet und je nach Anwendung transparent oder opak gefüllt ist, und
nur bestimmte harmonische Anteile der periodischen Anordnung der Recht
ecke in Höhenrichtung durch das optische Projektionssystem übertragen
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zerlegung in allgemeine flächenfüllen
de Bausteine wie Quadrate, Rechtecke, Dreiecke, Sechsecke, n-Ecke o. ä.
vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei nur der niedrigste harmonische
Anteil der periodischen Anordnung in Höhenrichtung, die sogenannte nullte
Beugungsordnung, durch das optische System übertragen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei die Ortskoordinaten
auf der Maske vor der Aufzeichnung einer kollinearen oder noch allgemei
neren, mit optischen Mitteln umkehrbaren, Koordinatentransformation un
terworfen wird, wodurch die Maske an die jeweilige Projektionsgeometrie,
z. B. gemäß der Scheimpflugbedingung, angepaßt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet dadurch, daß eine
sinusförmige periodische Intensitätsverteilung kodiert und projiziert wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998155324 DE19855324A1 (de) | 1998-12-01 | 1998-12-01 | Verfahren zur Projektion periodischer Intensitätsprofile mittels binärer Amplitudenmasken |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998155324 DE19855324A1 (de) | 1998-12-01 | 1998-12-01 | Verfahren zur Projektion periodischer Intensitätsprofile mittels binärer Amplitudenmasken |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19855324A1 true DE19855324A1 (de) | 2000-06-08 |
Family
ID=7889575
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1998155324 Withdrawn DE19855324A1 (de) | 1998-12-01 | 1998-12-01 | Verfahren zur Projektion periodischer Intensitätsprofile mittels binärer Amplitudenmasken |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19855324A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102007051909A1 (de) * | 2007-10-29 | 2009-04-30 | Leica Microsystems (Schweiz) Ag | Beleuchtungseinrichtung für ein Lichtmikroskop und Lichtmikroskop mit einer solchen Beleuchtungseinrichtung |
DE102017129737A1 (de) * | 2017-12-13 | 2019-06-13 | Hauni Maschinenbau Gmbh | Vorrichtung zur berührungslosen, optischen 3D-Erfassung einer Stirnfläche eines sich queraxial bewegenden, stabförmigen Artikels der tabakverarbeitenden Industrie |
DE102022130735A1 (de) | 2022-11-21 | 2024-05-23 | Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh | Streifenprojektionssystem |
-
1998
- 1998-12-01 DE DE1998155324 patent/DE19855324A1/de not_active Withdrawn
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102007051909A1 (de) * | 2007-10-29 | 2009-04-30 | Leica Microsystems (Schweiz) Ag | Beleuchtungseinrichtung für ein Lichtmikroskop und Lichtmikroskop mit einer solchen Beleuchtungseinrichtung |
US8031399B2 (en) | 2007-10-29 | 2011-10-04 | Leica Instruments (Singapore) Pte. Ltd. | Illumination device for a light microscope and light microscope with such an illumination device |
DE102017129737A1 (de) * | 2017-12-13 | 2019-06-13 | Hauni Maschinenbau Gmbh | Vorrichtung zur berührungslosen, optischen 3D-Erfassung einer Stirnfläche eines sich queraxial bewegenden, stabförmigen Artikels der tabakverarbeitenden Industrie |
DE102022130735A1 (de) | 2022-11-21 | 2024-05-23 | Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh | Streifenprojektionssystem |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE69312975T2 (de) | System zur Bestimmung der Topographie einer gekrümmten Oberfläche | |
EP1971820B1 (de) | Erstellung eines abstandsbildes | |
DE19536297C2 (de) | Verfahren zur geometrischen Kalibrierung von optischen 3D-Sensoren zur dreidimensionalen Vermessung von Objekten und Vorrichtung hierzu | |
DE4134546C2 (de) | ||
EP1715291B1 (de) | Projektor für eine Anordnung zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten | |
EP0451474B1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Vermessung von Objektoberflächen | |
DE3854211T2 (de) | Lithographischer Prozess mit verbesserter Bildqualität. | |
DE19637682B4 (de) | Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Koordinaten von Gegenständen und/oder deren zeitlicher Änderung und Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens | |
DE4415834C2 (de) | Vorrichtung zur Vermessung von Entfernungen und räumlichen Koordinaten | |
DE102007058590B4 (de) | Aufnahmeverfahren für ein Bild eines Aufnahmeobjekts und Aufnahmevorrichtung | |
DE10028174A1 (de) | System zum Ausmessen von Oberflächen mit einem Laserlicht-Generator | |
DE4436500A1 (de) | Optisches Projektionsgitter | |
DE19534415A1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen und Vermessen dreidimensionaler Körper oder von beliebigen Flächen | |
EP2019961A1 (de) | Verfahren zum erzeugen von bildinformationen | |
DE19633686A1 (de) | Vorrichtung und Verfahren zur Vermessung von Entfernungen und/oder räumlichen Koordinaten von Gegenständen und/oder deren zeitlicher Änderung | |
DE102007002880B4 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum optischen Ausmessen eines Objekts, insbesondere eines Werkstücks oder Werkzeugs | |
DE19855324A1 (de) | Verfahren zur Projektion periodischer Intensitätsprofile mittels binärer Amplitudenmasken | |
DE10321883A1 (de) | Verfahren und Sensor zur hochgenauen optischen Abtastung | |
DE102016012130A1 (de) | Optischer Scanner für Zahnabformungen, Digitalisierungsverfahren und System für Dentalmodelle | |
DE102019208474A1 (de) | Verfahren und System zum optischen Vermessen eines Objekts mit spiegelnder und/oder teilspiegelnder Oberfläche sowie entsprechende Messanordnung | |
DE10027323A1 (de) | Verfahren zum Generieren eines dreidimensionalen Objekts | |
DE102014223747B4 (de) | Vorrichtung und Verfahren zur Vermessung eines Höhenprofils einer Oberfläche unter Verwendung einer länglichen Blende | |
DE102014016087B4 (de) | Dreidimensionale optische Erfassung von Objektoberflächen | |
DE10155834B4 (de) | Verfahren zur optischen Vermessung räumlicher Koordinaten von Objektpunkten | |
EP3158287B1 (de) | Verfahren zur bilderfassung einer vorzugsweise strukturierten oberfläche eines objekts |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |