DE3843396C1

DE3843396C1 - Method and device for observing moiré patterns of surfaces under investigation in conjunction with the application of the projection moiré method with phase shifts

Info

Publication number: DE3843396C1
Application number: DE19883843396
Authority: DE
Inventors: Klaus 8206 Bruckmuehl De Pfister
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1988-12-23
Publication date: 1990-07-26
Anticipated expiration: 2008-12-24

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beobachtung von Moir´mustern von zu untersuchenden Oberflächen unter An wendung des Projektionsmoir´verfahrens mit Phasenshiften, bei dem zu beobachtende Objektraster auf Hilfsraster abge bildet und die dabei erzeugten Moir´muster erfaßt, gespei chert und/oder rechnerverarbeitet werden, wobei für eine Beobachtung mindestens drei phasenverschobene Moir´muster jeweils ausgewertet werden. Ferner bezieht sich die Erfin dung auf eine Vorrichtung zur Beobachtung von Moir´mustern von zu untersuchenden Oberflächen unter Anwendung des Pro jektionsmoir´verfahrens mit Phasenshiften, mit einer Raster- Projektionsanordnung, einem Objektraster der zu untersuchen den Oberfläche, einem Beobachtungsobjektiv, einem Hilfs raster, einer Kameraanordnung, einem Speicher und/oder Rech ner.

Unter Objektraster soll hier der Raster auf dem Objekt, d.h. der optisch überlagerte Raster, verstanden werden.

Mittels eines Verfahrens und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art werden Oberflächen und deren Verformung be obachtet, wobei die Oberflächengestalt bzw. deren Verformung in Beobachtungsrichtung aufgenommen und dokumentiert wird. Der Anwendungsbereich erstreckt sich von mikroskopischer Be obachtung (z.B. im Bereich der Biologie oder Medizin) bis zur Beobachtung von Flächen in m²-Größe (z.B. in der Fahr zeugindustrie). Die Beobachtung von Oberflächen und deren Verformung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Gängige Verfahren zur flächenhaften Beobachtung sind außer den ver schiedenen Moir´verfahren die Photogrammetrie, die Holo graphie und mit Einschränkung die Motographie. Diese Verfah ren werden teils konkurrierend, teils sich ergänzend einge setzt.

In der US-PS 46 41 972 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Oberflächenprofils eines Objektes beschrieben, bei dem ein Lichtstrahl mit einem sich sinusförmig ändernden Intensi tätsmuster auf das Objekt gerichtet wird, wobei die Phase des sinusförmigen Musters moduliert wird. Mittels einer Detektoranordnung wird ein deformiertes Gitterbild des Ob jektes für eine Anzahl verschiedener modulierter Phasen des auffallenden Lichtstrahls empfangen. Es werden so für die Objekt- und eine Bezugsebene punktweise eine Objekt- und eine Bezugsphase erhalten. Die Höhe eines jeden Punktes der Objektoberfläche wird dann in bezug auf die Bezugsebene auf grund der Phasendifferenzen bestimmt.

Besonders einfach und wirtschaftlich zur Beobachtung von Oberflächen und deren Verformung ist das Projektionsmoir´ verfahren. Das Meßprinzip ist dabei folgendes: Ein Linien raster wird schräg, unter einem definierten Winkel auf die zu vermessende Oberfläche projiziert, wobei die Helligkeits verteilung etwa dem sin² des Projektionswinkels entspricht. Die Oberfläche wird unter einem anderen Winkel durch eine Kamera oder dergleichen beobachtet, wobei sich der Beobach ter bzw. die Kamera in der Regel im gleichen senkrechten Abstand zur Oberfläche befindet. Es werden zwei Beobach tungen bzw. Bilder überlagert, die sich auf unterschiedliche Oberflächenformen beziehen, und auf diese Weise ein Moir´ muster erzeugt. Es wird somit eine Relativmessung unter Ver wendung von zwei zeitlich nacheinander erfolgten Beobach tungen durchgeführt. Bei Einhaltung bestimmter Randbe dingungen entsprechen die einzelnen Ordnungen des Moir´ musters äquidistanten Höhenlinien. Untersuchungen geomet rischer Einflußgrößen beim Projektionsmoir´verfahren sind von G. Wutzke in "Über geometrische Einflußgrößen in der Moir´-Topographie", Materialprüf. 20 (1978), Nr. 9, Seiten 338 bis 342 beschrieben.

Bei einer aus der DE-OS 35 27 074 bekannten, unter Ver wendung des Projektionsmoir´verfahrens arbeitenden Anordnung zur Bestimmung der Oberflächengestalt von Objekten für den Einsatz in einem Stereomikroskop, insbesondere für Augenun tersuchungen und -operationen, werden ein Projektions- und ein Referenzgitter mit dem Referenzgitter nachgeordneten op tischen Mitteln zur Verschiebung des Bildes des aufproji zierten Gitters verwendet. In der EP-OS 02 62 089 ist eine weitere Vorrichtung zur Vermessung der Oberfläche eines Ob jektes beschrieben, bei der ein Moir´streifenmuster durch Kombination zweier Strichgitter erzeugt wird und an der Ob jektoberfläche deformierte Streifenbilder mit einer Fernseh kamera aufgenommen und mit einer elektronischen Schaltung ausgewertet werden. Die Strichgitter werden zueinander ver schoben, wobei die Phase des Streifenmusters um meßbare Be träge veränderbar ist.

Zur Auswertung ist es häufig ausreichend, nur das auf die Linien maximaler Helligkeit oder maximaler Schwärzung re duzierte Moir´muster zu verwenden. Es ist indessen vorteil haft, statt eines derartigen Skelettierens des Moir´musters das Phasenshiftverfahren anzuwenden. Bei dem Phasenshift verfahren werden für jedes der beiden zur Überlagerung er forderlichen Modulo-2-Pi-Bilder bzw. Phasenportraits, die jeweils einer bestimmten Oberfächengestalt zugeordnet sind, mindestens drei Einzelaufnahmen und zur Auswertung ein Rech ner benötigt. Es wird somit von jeweils zwei überlagerten Rasterbildern der Bezugsraster in seiner Ausgangs- bzw. Grundposition und zwei dazu geshifteten Lagen betrachtet, die in der Regel um 120° phasenverschoben sind, so daß für jeden Objektpunkt drei Intensitätsverteilungen aufgenommen werden. Die drei Aufnahmen erfolgen infolge des Shiftens zeitlich nacheinander. Entsprechend enthält die Projektions anordnung eine geeignete Vorrichtung, um die phasenverscho bene Rasterprojektion, d.h. das Phasenshiften, zu ermög lichen. Das Phasenshiftverfahren zeichnet sich durch eine einfache Rechnerverarbeitung aus, denn im Gegensatz zum Skelettieren wird die Zählrichtung der Ordnungen erkannt und es ist praktisch kein interaktives Arbeiten erforderlich. Außerdem kann auf Bruchteile einer Moir´ordnung aufgelöst werden. Der Grad der Auflösung ist dabei von der Präzision des Shiftens und von der Güte des beobachteten sin²-Hellig keitsverlaufs des Rasters abhängig.

Eine Anwendung des Phasenshiftverfahrens ist z.B. in B. Breuckmann und W. Thieme, "Ein rechnergestütztes Holo graphiesystem für den industriellen Einsatz", VDI-Bericht, 552 (1985), Seiten 27 bis 36 beschrieben. Ein weiteres Ver fahren und System zur Oberflächenbeobachtung ist aus der US- PS 42 12 073 bekannt, bei dem ein sinusförmiger Raster in drei Schritten jeweils um eine Viertelperiode des Rasters geshiftet wird, die Intensität der Strahlung von der Ober fläche erfaßt und für jeden Schritt gespeichert wird. Unter Verwendung einfacher arithmetischer Operationen werden aus diesen Speicherwerten Punkthöhen ermittelt. Nachteilig bei den bekannten Phasenshiftverfahren ist, daß sich die Ober flächengestalt während der Aufnahmezeit nicht oder nur un wesentlich verändern darf. Das Phasenshiftverfahren konnte daher bisher nur für statische Untersuchungen oder allen falls zur Beobachtung von sehr langsamen Veränderungen ein gesetzt werden. Dynamische Messungen, insbesondere im Kurz zeitbereich mit dynamischen, schnell ablaufenden Verände rungen von Oberflächenstrukturen sind bei Anwendung dieses Verfahrens nicht möglich.

Zur Vergrößerung der Empfindlichkeit beim Projektionsmoir´ verfahren, d.h. zur Erhöhung der Auflösung mit größerem Ab stand der Höhenlinien voneinander, müssen der Projektions winkel groß und der Raster möglichst klein sein. Eine Ein schränkung hierbei ergibt sich durch die rechnerbedingte Digitalisierung der Bilddaten, die zu einer Begrenzung der Ortsfrequenz führt. Durch das Vorsehen eines zusätzlichen Hilfsrasters mit geeigneter, geringfügig verschiedener Tei lung (Mismatch) kann die Liniendichte um ein bis zwei Größenordnungen erhöht und damit die Auflösung erheblich gesteigert werden. Auf diesen Hilfsraster wird die zu re gistrierende Rasterprojektion abgebildet, wobei ein wesent lich gröberes Moir´muster mit einer den Anforderungen der Digitalisierung genügenden Liniendichte entsteht. Es erfolgt somit eine hilfsweise Abspeicherung der zu registrierenden Rasterprojektion über ein Moir´muster. Da die zur Über lagerung kommenden beiden Aufnahmen auf denselben Hilfs raster abgebildet werden, entfällt dessen Einfluß auf die hilfweise erzeugten Muster der Modulo-2-Pi-Bilder nach der Überlagerung zweier solcher Aufnahmen. Entsprechende rech nergestütze optische Meßverfahren sind in "Einsatz höchst auflösender optischer Verfahren in der Oberflächenprüfung und 3D-Meßtechnik" von B. Breuckmann und P. Lübeck, VDI- Bericht 679 (1988), Seiten 71 bis 76 beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anwendung von Moir´musterverfahren auf dynamische und Kurzzeitmessungen zu ermöglichen. Diese Aufgabe ist durch die Erfindung bei einem Verfahren und einer Vorrichtung mit den Merkmalen der An sprüche 1, 5 bzw. 6 gelöst. Vorteilhafte Weitergestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit dadurch gekenn zeichnet, daß für eine Beobachtung die zu dem Objektraster zugehörigen phasenverschobenen Moir´muster gleichzeitig durch die Überlagerung der Objektrasterabbildung mit zu einander phasenversetzt angeordneten Hilfsrastern erzeugt und abgebildet sowie erfaßt werden. Bei dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird somit mit einer starren Rasterprojektion bzw. mit einem starren, auf der Oberfläche des Objekts befindlichen Raster gearbeitet und auf der Beobachterseite geshiftet. Durch die gleichzeitige Moir´mustererzeugung und -abbildung, d.h. das zeitlich parallele Einziehen der Einzelbeobachtungen in den Bild speicher oder Rechner, ist der Zeitbedarf für die einzelne Messung außerordentlich gering und die zeitliche Begrenzung des Verfahrens ergibt sich nun nicht durch das Phasenshift verfahren selbst, sondern durch die Belichtungszeit oder die zum Speichern eines Bildes benötigte Zeit. Sie ist somit ab hängig von den verwendeten Geräten.

Bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Ver fahrens werden die phasenverschobenen Moir´muster erzeugt, indem der Objektraster durch mindestens drei Teilstrahlen auf mindestens drei separate, zueinander phasenverschobene Hilfsraster abgebildet wird und die dort erzeugten phasen verschobenen Moir´muster gleichzeitig erfaßt werden. Die Moir´muster werden dann gleichzeitig an die Bildverarbeitung zur Speicherung und/oder zur elektronischen Auswertung wei tergeleitet.

Alternativ können die phasenverschobenen Moir´muster erzeugt werden, indem der Objektraster mittels eines Beobachtungs strahls auf einen mindestens drei Hilfsraster zusammenge packt enthaltenden Hilfsraster abgebildet wird, der minde stens die dreifache Teilung in bezug auf die zur Erzeugung eines einzelnen Moir´musters erforderliche Teilung aufweist, wobei die einzelnen phasenverschobenen Moir´muster erfaßt werden, indem die ineinanderverschachtelten Moir´muster aus dem verschachtelten Hilfsraster zeilen/spaltenweise ent sprechend der mindestens dreifachen Teilung abgespeichert werden. Der zusammengepackte Hilfsraster kann somit durch das zeilen- bzw. spaltenweise Auslesen selektiv beobachtet werden. Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines solchen zusammengepackten Hilfsrasters ist das Array einer CCD- Kamera, bei dem zur Auswertung die zu einem einfachen Hilfs raster gehörigen Reihen oder Zeilen pixelweise ausgelesen werden können, wobei die mindestens drei Einzelbilder leicht entfaltet werden können. Ein Vorteil dieser Verfahrensva riante ist, daß der Versuchsaufbau sehr einfach ist, denn es entfallen gegenüber der Verfahrensvariante mit Strahlteilung und insbesondere bei der Ausführung, die einen von der Kame ra getrennten Hilfsraster aufweist, die schwer gegeneinander justierbaren Hilfsraster und die Verwaltung mehrerer paral lel abzuspeichernder Bildserien. Es kommt unter Umständen zu einem geringeren Lichtstärkeverlust, da bei den verschach telten Hilfsrastern die notwendige Strahlteilung entfällt. Indessen ergibt sich bei der Verwendung eines zusammenge setzten Hilfsrasters eine geringere Auflösung als bei den mit Strahlteilung arbeitenden Verfahrensvarianten.

Wird lediglich auf eine Hilfsrasterzeile oder -spalte ab gebildet, wobei die zweidimensionale Kamerabeobachtung auf eine Linie reduziert wird, kann vorteilhaft ein CCD-Linien array mit sehr hoher Pixelzahl verwendet werden. Auf diese Weise kann statt einer flächigen Übersicht mit geringerer Auflösung ein Profilschnitt mit sehr hoher Auflösung er halten werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren nach den beschriebenen Varianten wird Weißlicht bzw. monochromatisches Licht ver wendet und der Shiftvorgang erfolgt auf der Beobachterseite, d.h. zwischen Objekt und Beobachter. Alternativ können er findungsgemäß die phasenverschobenen Moir´muster auch er zeugt werden, indem mindestens drei verschieden farbige, phasenverschobene Objektraster gleichzeitig und überlagert projiziert und beobachtet werden und die einzelnen pha senverschobenen Moir´muster erfaßt werden, indem das zu sammengepackte Moir´muster der Objektrasterabbildungen farbselektiv separiert bzw. ausgefiltert wird. Der Shift vorgang erfolgt hier auf der Beleuchterseite, d.h. zwischen Lichtquelle und Objekt, und besteht in der gleichzeitigen Projektion phasenverschobener Muster. Es wird somit ein farbkodiertes Muster auf das Objekt projiziert.

Die Erfindung wird im folgenden weiter anhand der Beschrei bung eines Ausführungsbeispiels gemäß einer möglichen Alter native und der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur den schematischen Aufbau einer Vorrichtung mit Strahlteilung.

Ein einem Objektraster 1 nachgeordneter Abbildungsstrahlen gang umfaßt ein Objektiv 2 und eine Optik 3 mit virtueller Abbildung A des zu beobachtenden Rastermusters. Mittels Strahlteilern 4, z.B. in Form von Teilerplatten, Teilerwür feln oder Spiegeln 5, wird der Strahlengang geteilt und der Objektraster 1 auf drei Hilfsraster 6 abgebildet. Die Hilfs raster 6 sind im Strahlengang zueinander exakt um entspre chende Phasenwinkel, z.B. 120°, justiert. Den drei Hilfs rastern 6 sind Beobachter 7, z.B. Kameras wie Videokameras oder optische Trommelkameras, nachgeordnet bzw. verbunden. Ein Bildsatz, aus dem ein Modulo-2-Pi-Bild errechnet wird, wird gleichzeitig beobachtet und an einen Bildspeicher 8 oder einen Rechner 9 weitergeleitet.

Die Hilfsraster 6 können auch durch rasterförmig aufgebaute Sensoren gebildet sein, wobei die Strahllteilung auch durch die Abbildungsoptiken der Kameras geeigneter Anordnung er setzt werden kann, um höhere Lichtstärken zu erzielen.

Claims

1. Verfahren zur Beobachtung von Moir´mustern von zu unter suchenden Oberflächen unter Anwendung des Projektions moir´verfahrens mit Phasenshiften, bei dem zu beobachtende Objektraster auf Hilfsraster abgebildet und die dabei erzeugten Moir´muster erfaßt, gespeichert und/oder rechner verarbeitet werden, wobei für eine Beobachtung mindestens drei phasenverschobene Moir´muster jeweils ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Beobachtung die zu dem Objektraster zugehörigen phasenver schobenen Moir´muster gleichzeitig durch die Überlagerung der Objektrasterabbildung mit zueinander phasenverschobenen Hilfsrastern erzeugt und abgebildet sowie erfaßt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die phasenverschobenen Moir´muster er zeugt werden, indem der Objektraster durch mindestens drei Teilstrahlen auf mindestens drei separate, zueinander pha senverschobene Hilfsraster abgebildet wird und die dort erzeugten phasenverschobenen Moir´muster gleichzeitig erfaßt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die phasenverschobenen Moir´muster erzeugt werden, indem der Objektraster mittels eines Strahls auf einen mindestens drei Hilfsraster zusammengepackt ent haltenden Hilfsraster abgebildet wird, der mindestens die dreifache Teilung in bezug auf die zur Erzeugung eines einzelnen Moir´musters erforderliche Teilung aufweist und daß die einzelnen phasenverschobenen Moir´muster erfaßt werden, indem die ineinanderverschachtelten Moir´muster aus dem verschachtelten Hilfsraster zeilen/spaltenweise ent sprechend der mindestens dreifachen Teilung ausgelesen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich auf eine Hilfs rasterzeile oder -spalte abgebildet wird.

5. Verfahren zur Beobachtung von Moir´mustern von zu unter suchenden Oberflächen unter Anwendung des Projektions moir´verfahrens mit Phasenshiften, bei dem Objektraster beobachtet werden, wobei für eine Beobachtung mindestens drei phasenverschobene Moir´muster jeweils ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die phasenverschobenen Moir´muster erzeugt werden, indem mindestens drei verschieden farbige, phasenverschobene Objektraster beobachtet werden und die einzelnen phasen verschobenen Moir´muster erfaßt werden, indem das zusam mengepackte Moir´muster der Objektrasterabbildungen farb selektiv separiert wird.

6. Vorrichtung zur Beobachtung von Moir´mustern von zu untersuchenden Oberflächen unter Anwendung des Projek tionsmoir´verfahrens mit Phasenshiften, mit

- einer Raster-Projektionsanordnung,
- einem Objektraster (1) auf der zu untersuchenden Oberfläche,
- einem Beobachtungsobjektiv (2),
- einem Hilfsraster (6),
- einer Kameraanordnung (7),
- einem Speicher (8) und/oder Rechner (9),

dadurch gekennzeichnet, daß

- mindestens drei Hilfsraster (6) hinter dem Objektraster (1) phasenverschoben angeordnet sind und
- die Kameraanordnung (7) die phasenverschobenen Moir´ muster durch die Hilfsraster (6) jeweils gleichzeitig erfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß im Strahlengang Strahlteiler (4, 5) angeordnet sind, die den Strahl in mindestens drei Teil strahlen aufteilen, und mindestens drei getrennte Hilfs raster (6) und hinter diesen angeordnete Kameras (7) vor gesehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß ein mindestens drei Hilfsraster zu sammengepackt enthaltender Hilfsraster mit einer Zeilen oder Spaltenteilung vorgesehen ist, die mindestens das Dreifache der zur Erzeugung eines Moir´musters erforder lichen Teilung ist, eine Kamera hinter dem Hilfsraster an geordnet und eine Leseeinrichtung vorgesehen ist, die die Zeilen oder Spalten des Hilfsrastermusters zu den phasen verschobenen Moir´mustern auflöst.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Hilfsraster mit einer Zeile oder Spalte vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6, 8 oder 9, da durch gekennzeichnet, daß der (die) Hilfs raster durch rasterförmig aufgebaute Sensoren gebildet ist (sind).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß als Hilfsraster ein CCD-Kameraarray vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Videokamera(s) vorge sehen ist (sind).

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trommelkamera(s) vor gesehen ist (sind).