DE4013283C1 - Scanning surface by projecting modulation pattern - observing surface by optics via second modulation pattern at angle to direction of projection - Google Patents
Scanning surface by projecting modulation pattern - observing surface by optics via second modulation pattern at angle to direction of projectionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtastung von Ober flächen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for scanning Ober surfaces according to the preamble of claim 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 33 28 753 bzw. der DE-OS 37 21 247 bekannt. Hierbei wird auf das abzutastende Objekt ein erstes Modulationsmuster beispielsweise in Form eines feinen Liniengitters projiziert, das auf ein zweites Modulationsmuster, beispielsweise ein Referenzgitter, abge bildet wird. Die Überlagerung der beiden Muster bzw. Gitter ergibt ein Streifenbild (Moire-Muster bzw. Moire-Linien). Die Intensitätsverteilung der Streifenbilder enthält Informatio nen über die räumliche Struktur bzw. die Oberfläche des Ob jekts. Aus diesen Informationen können mittels eines geeigne ten Verfahrens, beispielsweise des Phasen-Shift-Verfahrens, die Koordinaten der abgetasteten Oberfläche bestimmt werden, indem eine Mehrzahl von phasenverschobenen Streifenbildern, beispielsweise drei, ausgewertet und miteinander verrechnet werden.Such a method is known from DE-OS 33 28 753 and DE-OS 37 21 247 known. This will focus on what is to be scanned Object a first modulation pattern, for example in the form of a fine line grid projected onto a second Modulation pattern, for example a reference grid, abge is forming. The overlay of the two patterns or grids results in a stripe pattern (moire pattern or moire lines). The Intensity distribution of the stripe images contains information nen about the spatial structure or the surface of the Ob project. From this information, a suitable th method, for example the phase shift method, the coordinates of the scanned surface are determined, by a plurality of phase-shifted stripe images, for example three, evaluated and offset against each other will.
Bei der Auswertung bzw. Berechnung der Oberflächenkoordinaten treten jedoch erhebliche praktische Probleme auf. So kann die Z-Koordinate, also die Objekttiefe in Richtung der Projektion der Liniengitter, nur relativ und nicht absolut in Bezug auf eine vorgegebene Referenz bestimmt werden; ferner sind die von den Moire-Linien dargestellten Höhenschichtlinien des Ob jekts nicht äquidistant, da die Beleuchtungs- bzw. Projektionsgeometrie und die Beobachtungsgeometrie üblicher weise divergent ist und damit die Abstände der Moire-Ebenen mit der Entfernung vom Projektor bzw. von der Kamera zuneh men; die divergente Geometrie führt auch zu einer Tiefenab hängigkeit des lateralen oder seitlichen Abbildungsmaßstabes; schließlich kann die relative Tiefe verschiedener Objekt punkte nur dann ermittelt werden, wenn die relative "Ordnungsdifferenz" der entsprechenden Moire-Linien aus dem aufgenommenen Bild entnommen werden kann, d. h. wenn festge stellt werden kann, zu welchen Höhenlinien einzelne beobach tete Teile von Moire-Linien gehören, was jedoch bei Unstetigkeiten der Oberfläche beispielsweise infolge von Kan ten, bei Abschattungen und großen Gradienten nicht möglich ist.When evaluating or calculating the surface coordinates however, there are significant practical problems. So it can Z coordinate, i.e. the object depth in the direction of the projection the line grid, only relative and not absolutely in terms of a predetermined reference can be determined; furthermore are the from the Moire lines, contour lines of the Ob project is not equidistant since the lighting or Projection geometry and the observation geometry more common is divergent and thus the distances between the Moire levels increases with distance from the projector or camera men; the divergent geometry also leads to a depth dependence of the lateral or lateral imaging scale; finally, the relative depth of different object points can only be determined if the relative "Order difference" of the corresponding Moire lines from the captured image can be taken, d. H. if fixed can be set to which contour lines individual observes Parts of Moire lines belong to, but what with Discontinuities in the surface, for example as a result of Kan not possible with shadows and large gradients is.
Aus der DE-OS 38 13 692 ist es bekannt, bei einem ähnlichen Meßverfahren ein Eichziel in Beobachtungsrichtung an festge legte Eichstellen zu verschieben und dort Korrekturfaktoren für die folgende Objektmessung zu ermitteln.From DE-OS 38 13 692 it is known in a similar Measuring method a calibration target in the direction of observation to fixed put calibration points to shift and there correction factors for the following object measurement.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, bei dem eine Eichung bzw. eine Korrektur der bei der Objektmes sung erhaltenen Oberflächendaten in einfacher Weise ermög licht wird.It is an object of the invention to provide a method for which a calibration or a correction of the object measurement solution obtained surface data in a simple manner light becomes.
Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkma len des Anspruchs 1 erreicht.This is done according to the invention by a method with the characteristics len of claim 1 achieved.
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further training is characterized in the subclaims.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Figur beschrieben, die eine Draufsicht auf eine zur Durchfüh rung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zeigt.An embodiment of the invention is described with reference to FIG Figure described, which is a plan view of a to perform tion of the method shows suitable device.
Die in der Figur dargestellte Vorrichtung enthält einen mit einer Lichtquelle 2, z. B. einer Bogenlampe, ausgerüsteten Projektor 1, der über eine Optik 3 ein Meßfeld 4 beleuchtet. Anstelle von Licht kann aber auch jede andere elekromagnetische Strahlung, wie z. B. IR-Strahlung, verwendet werden. Im Strahlengang des Projektors entlang der Projektionsrichtung 5 ist ein Projektionsgitter 6 angeordnet, das vorzugsweise als Strichgitter ausgebildet ist. Aufgrund der Divergenz des Strahlengangs führt das Strichgitter zu ei ner Projektion räumlich divergierender Strichebenen.The device shown in the figure contains one with a light source 2 , e.g. B. an arc lamp, equipped projector 1 , which illuminates a measuring field 4 via optics 3 . Instead of light, however, any other electromagnetic radiation, such as e.g. B. IR radiation can be used. A projection grating 6 , which is preferably designed as a grating, is arranged in the beam path of the projector along the projection direction 5 . Due to the divergence of the beam path, the line grating leads to a projection of spatially divergent line levels.
Das Meßfeld 4 wird von einer Bildaufnahmeeinrichtung 7 unter einer Betrachtungsrichtung 27, die einen Winkel α zur Projektionsrichtung 5 einschließt, betrachtet. Die Bildauf nahmeeinrichtung weist eine Kamera 8, vorzugsweise eine Video-, Fernseh- oder CCD-Kamera, sowie eine Betrachtungs optik 9 auf, mit der eine Scharfstellung auf ein im Meßfeld angeordnetes Objekt 10 mit einer (in der Figur gestrichelt gezeichneten) Oberfläche 11 möglich ist. Im Betrachtungs strahlengang 12 ist ein Referenzgitter 13 angeordnet, das ebenfalls als Strichgitter ausgebildet ist. Die Ebene des Re ferenzgitters 13 ist vorzugsweise parallel zur Ebene des Projektionsgitters 6 und senkrecht zur Betrachtungsrichtung 27 angeordnet.The measuring field 4 is viewed by an image recording device 7 under a viewing direction 27 , which includes an angle α to the projection direction 5 . The image recording device has a camera 8 , preferably a video, television or CCD camera, as well as a viewing optic 9 , with which focusing on an object 10 arranged in the measuring field with a surface 11 (shown in dashed lines in the figure) is possible is. In the viewing beam path 12 , a reference grating 13 is arranged, which is also designed as a grating. The plane of the reference grid 13 is preferably arranged parallel to the plane of the projection grid 6 and perpendicular to the viewing direction 27 .
Im Meßfeld 4 ist eine Positioniervorrichtung 20 angeordnet, die eine Halterung 16 zum auswechselbaren Fixieren eines ab zutastenden Prüfobjekts oder eines Eichkörpers 22 derart auf weist, daß die abzutastende Oberfläche 11 des Prüfobjekts oder die von der Oberfläche des Eichkörpers gebildete Refe renzfläche 24 von der Kamera 8 betrachtet werden kann. In the measuring field 4 , a positioning device 20 is arranged, which has a holder 16 for interchangeably fixing a test object to be scanned or a calibration body 22 in such a way that the surface 11 of the test object to be scanned or the reference surface 24 formed by the surface of the calibration body 24 from the camera 8 can be viewed.
Die Kamera 8 ist mit einer Steuer- und Auswertevorrichtung 18 verbunden, die eine Eingabeeinheit 29 zur manuellen Eingabe von Daten über die Koordinaten der Referenzfläche 24 aufweist und die so ausgebildet ist, daß sie die im folgenden be schriebenen Operationen ausführen kann, und die dazu erfor derlichen Bauteile wie Rechner, Speicher, etc. aufweist. Ein Beispiel für eine derartige Steuer- und Auswerteeinheit ist aus der DE-OS 33 28 753 bekannt.The camera 8 is connected to a control and evaluation device 18 , which has an input unit 29 for manual input of data about the coordinates of the reference surface 24 and which is designed so that it can carry out the operations described below, and which requires it other components such as computers, memory, etc. An example of such a control and evaluation unit is known from DE-OS 33 28 753.
Im Betrieb ergibt sich durch die Überlagerung der beiden Git ter 6, 13 ein räumliches Moire-Muster, das bei der gewählten parallelen Anordung beider Gitter die einfache Form von an nähernd parallel zur Gitterebene liegenden Moire-Flächen an nimmt. Aufgrund der Divergenz des Projektionsstrahlengangs und des Betrachtungsstrahlengangs nehmen dabei die Abstände zwischen den Moire-Flächen mit zunehmender Entfernung von den Gittern (d. h. höherer Moire-Ordnung) zu. Aufgrund der unver meidlichen Abbildungsfehler der Optiken 3, 9 sind die Moire-Flächen auch nicht vollständig eben, sondern mehr oder weniger stark gekrümmt.In operation, the spatial overlap of the two grids 6 , 13 results in a spatial moiré pattern which, in the chosen parallel arrangement of both grids, takes on the simple form of moiré surfaces lying approximately parallel to the grating plane. Due to the divergence of the projection beam path and the viewing beam path, the distances between the moiré surfaces increase with increasing distance from the grids (ie higher moiré order). Due to the inevitable aberrations of the optics 3 , 9 , the moiré surfaces are also not completely flat, but rather more or less curved.
Um die durch die genannten Verzerrungen verursachten Fehler bei der Messung zu vermeiden, erfolgt zunächst eine Eichung der Vorrichtung. Hierzu wird ein Eichkörper 22 mit einer Re gelgeometrie verwendet, d. h. die als Referenzfläche 24 die nende Oberfläche des Eichkörpers folgt einer analytischen Gleichung und die Koordinaten der Referenzfläche 24 sind so mit an jedem Punkt in Abhängigkeit von den Parametern der Re gelgeometrie berechenbar. Als derartige Regelgeometrien kom men somit beispielsweise eine Kugelgeometrie, eine Zylindergeometrie, eine Ebene, eine Pyramide oder ein Kegel bzw. deren Stümpfe in Frage. Der Typ der Regelgeometrie und deren wesentliche Parameter werden nun so gewählt, daß die Referenzfläche 24 im wesentlichen der abzutastenden Oberflä che 11 des Prüfobjekts 10 entspricht, d. h. die Koordinaten z(x, y) der Referenzfläche in der Nähe der Koordinaten der Oberfläche liegen. Besitzt die abzutastende Oberfläche 11 beispielsweise etwa Kugelform, so wird ein Eichkörper mit ei ner kugelförmigen Referenzfläche 24 verwendet, deren Parameter (Radius und evtl. Höhe des Kugelabschnitts) etwa denen der Oberfläche 11 entsprechen. Die Parameterwerte der Oberfläche 11 können hierzu mit herkömmlichen Meßverfahren bestimmt werden.In order to avoid the errors in the measurement caused by the above-mentioned distortions, the device is first calibrated. For this purpose, a calibration body 22 with a control geometry is used, ie the reference surface 24, the surface of the calibration body that follows an analytical equation, and the coordinates of the reference surface 24 can thus be calculated at any point depending on the parameters of the control geometry. As such standard geometries, for example, a spherical geometry, a cylinder geometry, a plane, a pyramid or a cone or their stumps come into question. The type of the standard geometry and its essential parameters are now selected so that the reference surface 24 essentially corresponds to the surface 11 to be scanned surface of the test object 10 , ie the coordinates z (x, y) of the reference surface are close to the coordinates of the surface. If the surface 11 to be scanned has, for example, a spherical shape, a calibration body with a spherical reference surface 24 is used, the parameters (radius and possibly height of the spherical section) corresponding approximately to those of the surface 11 . For this purpose, the parameter values of the surface 11 can be determined using conventional measuring methods.
Der ausgewählte Eichkörper 22 wird an der Halterung 16 der Positioniervorrichtung 20 so befestigt, daß sich die zu mes sende z-Koordinate der Referenzfläche 24 in Richtung senk recht zu den Ebenen der Gitter 6, 13, d. h. also in Betrachtungsrichtung 27, und die x,y-Koordinaten der Refe renzfläche in einer Ebene parallel zu der Ebene der Gitter 6, 13, also etwa parallel zu den Moire-Ebenen erstreckt. Die Parameterwerte des Eichkörpers sowie die für diesen Typ gel tende analytische Funktion zur Beschreibung der Oberfläche werden über die Eingabevorrichtung 29 in die Steuer- und Aus werteeinheit 18 eingegeben. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die analytische Funktion für alle verwendeten Eichkörper bzw. Referenzflächen in einem Speicher der Steuer- und Aus werteeinheit 18 abgespeichert ist und zur Auswahl des aktuel len Eichkörpers nur noch die Eingabe des Typs der Regelgeome trie, beispielsweise in Form eines Codes, und die Parameter werte eingegeben werden müssen.The selected calibration body 22 is fastened to the holder 16 of the positioning device 20 such that the z coordinate of the reference surface 24 to be measured is oriented in the direction perpendicular to the planes of the grids 6 , 13 , that is to say in the viewing direction 27 , and the x, y coordinates of the reference surface in a plane parallel to the plane of the grids 6 , 13 , that is to say extends approximately parallel to the Moire planes. The parameter values of the calibration body and the analytical function valid for this type for describing the surface are entered into the control and evaluation unit 18 via the input device 29 . It when the analytical function for all calibration bodies or reference surfaces used is stored in a memory of the control and evaluation unit 18 and for the selection of the current calibration body only the input of the type of control geometry, for example in the form of a code, is particularly advantageous , and the parameter values must be entered.
Die Steuer- und Auswerteeinheit 18 wählt nun eine Anzahl von Eichpunkten auf der Referenzfläche 24 aus. Dies geschieht beispielsweise dadurch, daß über die Referenzfläche ein Raster von Punkten mit vorgegebenem x,y-Koordinatenwert ge legt wird. Aus der eingegebenen bzw. ausgewählten Funktion der Referenzfläche errechnet nun die Steuer- und Auswerteein heit an jedem Eichpunkt den zum x,y-Koordinatenwert gehören den z-Koordinatenwert und speichert diese Werte z(x,y) ab.The control and evaluation unit 18 now selects a number of calibration points on the reference surface 24 . This is done, for example, by placing a grid of points with a predetermined x, y coordinate value on the reference surface. From the input or selected function of the reference surface, the control and evaluation unit at each calibration point calculates the z coordinate value belonging to the x, y coordinate value and stores these values z (x, y).
Daraufhin steuert die Steuer- und Auswerteeinheit 18 die Bildaufnahmeeinrichtung 7 derart, daß diese die aufgrund ih rer Krümmung von Moire-Linien überlagerte Referenzfläche 24 abtastet, den Grauwert an jedem Eichpunkt mißt und ein ent sprechendes Signal an die Steuer- und Auswertevorrichtung 18 liefert. Diese berechnet aus den geometrischen und optischen Parametern der Anordnung beispielsweise mittels des Phasen-Shift-Verfahrens einen theoretischen Wert z′(x,y), vergleicht diesen mit dem für jeden Eichpunkt der Referenz fläche 24 vorher errechneten und abgespeicherten tatsächli chen Wert z(x,y) und bestimmt aus diesem Vergleich eine Matrix von Korrekturwerten beispielsweise als Quotient oder als Differenz der theoretischen und der tatsächlichen Werte für jeden Koordinatenwert bzw. Eichpunkt x,y. Diese Matrix wird in der Steuer- und Auswerteeinheit 18 abgespeichert.Thereupon, the control and evaluation unit 18 controls the image recording device 7 in such a way that it scans the reference surface 24 superimposed due to its curvature of moiré lines, measures the gray value at each calibration point and delivers a corresponding signal to the control and evaluation device 18 . This calculates a theoretical value z '(x, y) from the geometric and optical parameters of the arrangement, for example by means of the phase shift method, compares this with the actual value z (x. Previously calculated and stored for each calibration point of the reference surface 24 , y) and determines a matrix of correction values from this comparison, for example as a quotient or as the difference between the theoretical and the actual values for each coordinate value or calibration point x, y. This matrix is stored in the control and evaluation unit 18 .
Nach dieser Eichung wird anstelle des Eichkörpers 22 das zu messende Objekt 10 an der Halterung 16 der Verschiebeeinrich tung 14 ebenfalls so befestigt, daß sich die zu bestimmende z-Koordinate in Richtung senkrecht zu den Ebenen der Gitter 6, 13 bzw. in Betrachtungsrichtung 27 erstreckt. Ein Bild der Oberfläche 11 mit überlagertem Linienmuster wird von der Bildaufnahmeeinrichtung 7 aufgenommen, die für jeden der bei spielsweise 512×512 Abtastpunkte einen Grauwert an die Steuer-und Auswerteeinheit übermittelt. Aus dem Grauwert fur jeden Abtastpunkt berechnet die Steuer- und Auswerteeinheit 18 wiederum nach einem der bekannten Verfahren einen theore tischen Koordinatenwert. Diesem Koordinatenwert wird ein Kor rekturwert beispielsweise dadurch zugeordnet, daß der hin sichtlich des x,y-Koordinatenwertes des Abtastpunktes nächst liegende Eichpunkt gewählt wird. Der theoretische Koordinatenwert z′(x,y) des Abtastpunktes wird dann mit dem Korrekturwert dieses Eichpunktes verknüpft, beispielsweise durch Multiplikation oder Addition entsprechend der Bildung des Korrekturwertes, und dadurch der tatsächliche (korri gierte) Koordinatenwert der Oberfläche 11 erhalten.After this calibration, instead of the calibration body 22, the object 10 to be measured is also fastened to the holder 16 of the displacement device 14 in such a way that the z coordinate to be determined extends in the direction perpendicular to the planes of the grids 6 , 13 or in viewing direction 27 . An image of the surface 11 with a superimposed line pattern is recorded by the image recording device 7 , which transmits a gray value to the control and evaluation unit for each of the 512 × 512 sampling points, for example. From the gray value for each sampling point, the control and evaluation unit 18 in turn calculates a theoretical coordinate value according to one of the known methods. A correction value is assigned to this coordinate value, for example, by selecting the calibration point closest to the x, y coordinate value of the sampling point. The theoretical coordinate value z '(x, y) of the sampling point is then linked to the correction value of this calibration point, for example by multiplication or addition in accordance with the formation of the correction value, and thereby the actual (corrected) coordinate value of the surface 11 is obtained.
Dieses Verfahren kann in mehrfacher Hinsicht abgewandelt werden. Beispielsweise kann zur Bestimmung des für einen Abtastpunkt zu verwendenden Korrekturwertes eine Interpolation der Korrekturwerte der in der x,y-Ebene um den Abtastpunkt herum angeordneten Eichpunkte durchgeführt wer den. Damit kann die Zahl der Eichpunkte bei im wesentlichen unveränderter Genauigkeit verringert werden. Ferner ist es auch möglich, zur Eichung eine Mehrzahl von Eichkörpern zu verwenden, deren Oberfläche an einem x,y-Eichpunkt verschie dene z-Koordinatenwerte aufweisen und daher zu unterschiedli chen Korrekturwerten für verschiedene z-Werte an jedem x,y-Eichpunkt führen. In diesem Fall kann auch eine Interpolation bzw. die Bildung einer Eichkurve in z-Richtung erfolgen, was immer dann von besonderem Vorteil ist, wenn die Oberfläche 11 erheblich von der Form der Referenzflächen ab weicht. Im Extremfall können eine Mehrzahl von Eichkörpern derart verwendet werden, daß die auf den Referenzflächen die ser Eichkörper liegenden Eichpunkte gleichmäßig über ein Meßvolumen verstreut sind, das die abzutastende Oberfläche oder alle derartige Oberflächen einschließt. Zu diesem Zweck können beispielsweise eine Kegelfläche und eine dazu gegen sinnig angeordnete Hohlkegelfläche oder deren Stümpfe, Pyramidenoberflächen oder Kugel- und Zylinderoberflächen kom biniert werden. Der Vorteil in diesem Fall besteht darin, daß nach einer solchen Eichung eine dreidimensionale Matrix von Korrekturwerten für das gesamte Meßvolumen vorliegt, auf die bei jeder Abtastung einer zu messenden Oberfläche zurückge griffen werden kann. Es erübrigt sich somit die Auswahl eines geeigneten Eichkörpers und eine separate Eichung vor jeder Abtastung.This procedure can be modified in several ways. For example, to determine the correction value to be used for a sampling point, an interpolation of the correction values of the calibration points arranged in the x, y plane around the sampling point can be carried out. The number of calibration points can thus be reduced with an essentially unchanged accuracy. Furthermore, it is also possible to use a plurality of calibration bodies for the calibration, the surface of which at an x, y calibration point have different z coordinate values and therefore lead to different correction values for different z values at each x, y calibration point. In this case, an interpolation or the formation of a calibration curve in the z direction can also take place, which is always of particular advantage if the surface 11 deviates significantly from the shape of the reference surfaces. In an extreme case, a plurality of calibration bodies can be used in such a way that the calibration points lying on the reference surfaces of these calibration bodies are evenly scattered over a measurement volume which includes the surface to be scanned or all such surfaces. For this purpose, for example, a conical surface and a hollow conical surface arranged against it or their stumps, pyramid surfaces or spherical and cylindrical surfaces can be combined. The advantage in this case is that, after such a calibration, there is a three-dimensional matrix of correction values for the entire measurement volume, which can be used for each scan of a surface to be measured. This eliminates the need to select a suitable calibration body and separate calibration before each scan.
Schließlich ist es auch möglich, Eichkörper zu verwenden, de ren Oberflächen nicht durch eine analytische Gleichung dar stellbar sind. In diesem Fall muß jedoch der Koordinatenwert der Oberfläche an jedem Eichpunkt z. B. durch herkömmliche Messung bekannt sein und der Steuer- und Auswerteeinheit über die Eingabevorrichtung 29 eingegeben werden.Finally, it is also possible to use calibration bodies whose surfaces cannot be represented by an analytical equation. In this case, however, the coordinate value of the surface at each calibration point must e.g. B. be known by conventional measurement and the control and evaluation unit can be input via the input device 29 .
Claims (13)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19904013283 DE4013283C1 (en) | 1990-04-26 | 1990-04-26 | Scanning surface by projecting modulation pattern - observing surface by optics via second modulation pattern at angle to direction of projection |
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Publications (1)
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DE4013283C1 true DE4013283C1 (en) | 1991-10-02 |
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ID=6405116
Family Applications (1)
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DE19904013283 Expired - Lifetime DE4013283C1 (en) | 1990-04-26 | 1990-04-26 | Scanning surface by projecting modulation pattern - observing surface by optics via second modulation pattern at angle to direction of projection |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |