DE4119744B4

DE4119744B4 - Process for evaluating periodic brightness patterns

Info

Publication number: DE4119744B4
Application number: DE19914119744
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Küchel; Albrecht Dr. Hof
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 1991-06-15
Filing date: 1991-06-15
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2011-06-16
Also published as: JPH05203426A; FR2677753B1; DE4119744A1; FR2677753A1

Abstract

Verfahren zur Auswertung der Phasenlage periodischer Helligkeitsmuster, wobei mehrere relativ zueinander in der Phase verschobene Helligkeitsmuster mit einer Kamera aufgezeichnet werden und in einem ersten Schritt die Phasenlagen der Muster in den einzelnen Objektpunkten entsprechenden Bildpunkten aus den einzelnen Bildern getrennt ermittelt werden, und daraus die Phasenverschiebungen der Muster relativ zu einer Anfangsphasenlage bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß anhand der in dem ersten Verfahrensschritt berechneten Phasenverschiebungen in einem zweiten Schritt die Phasenlagen der Muster in den einzelne Bildpunkten aus mindestens drei relativ zueinander in der Phase verschobenen Mustern bestimmt werden.method to evaluate the phase position of periodic brightness patterns, whereby several brightness patterns shifted in phase relative to each other be recorded with a camera and in a first step corresponding to the phase positions of the patterns in the individual object points Pixels are determined separately from the individual images, and from that the phase shifts of the patterns relative to one Initial phase position is determined, characterized in that based on the phase shifts calculated in the first method step in a second step, the phase positions of the patterns in the individual Pixels from at least three in phase relative to each other shifted patterns can be determined.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung der Phasenlage periodischer Helligkeitsmuster wobei mehrere relativ zueinander in der Phase verschobene Helligkeitsmuster mit einer Kamera aufgezeichnet werden und in einem ersten Schritt die Phasenlagen der Muster in den einzelnen Objektpunkten entsprechenden Bildpunkten aus den einzelnen Videobildern getrennt ermittelt werden, und daraus die Phasenverschiebung der Muster relativ einer Anfangsphasenlage bestimmt wird.The The present invention relates to a method for evaluating the Phase position of periodic brightness patterns with several relative brightness patterns shifted in phase with each other with a Camera are recorded and in a first step the phase positions the pattern in the pixels corresponding to the individual object points can be determined separately from the individual video images, and from it the phase shift of the patterns relative to an initial phase is determined.

Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 4 768 881 bekannt. Es werden zwei Interferogramme aufgezeichnet, deren streifenförmige Helligkeitsmuster gegeneinander und damit relativ zur Kamera um einen beliebigen Streifenbruchteil α < π in der Phase verschoben sind. Durch räumliche Fouriertransformationen werden aus jedem aufgezeichneten Interferogramm zu den Objektpunkten gehörige Phasenwerte und die Phasenverschiebung zwischen beiden Interferogrammen berechnet (Auswertung im Ortsbereich). Die berechnete Phasenverschiebung wird jedoch lediglich dazu benutzt, das ganzzahlige Vielfache der Zahl 2π der berechneten Phasenwerte in einer sogenannten Sprungstellenbeseitigung (phase unwrapping) eindeutig zu bestimmen. Dazu wird lediglich das Vorzeichen der berechneten Phasenverschiebung an dem jeweiligen Objektpunkt berücksichtigt, während der Wert der Phasenverschiebung bei der weiteren Auswertung unberücksichtigt bleibt.On such a method is known from US Pat. No. 4,768,881. It will two interferograms recorded, the stripe-shaped brightness pattern against each other and thus relative to the camera by any fringe fraction α <π in phase are moved. By spatial Fourier transforms are made from each interferogram belonging to the object points Phase values and the phase shift between the two interferograms calculated (evaluation in the local area). The calculated phase shift however, is only used to multiply the integer Number 2π the calculated phase values in a so-called jump point elimination (phase unwrapping) to be clearly determined. For this, only that Sign of the calculated phase shift on the respective Object point considered, while the value of the phase shift is not taken into account in the further evaluation remains.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist die Tatsache, daß eine Phasenverschiebung zwischen den beiden aufgezeichneten Interferogrammen vorausgesetzt wird, die kleiner als π ist. Diese Bedingung kann bei Erschütterungen, die beispielsweise beim Einsatz des Interferometers in Werkstätten nur schwer vermeidbar sind, leicht verletzt werden. Eine zuverlässige Auswertung der Interferogramme ist dann nicht mehr gewährleistet.adversely in this method the fact is that a phase shift between the two recorded interferograms are assumed which is less than π. This condition can affect vibrations, for example when using the interferometer in workshops only are difficult to avoid, easily injured. A reliable evaluation the interferogram is then no longer guaranteed.

Darüber hinaus hat dieses Verfahren den Nachteil, daß der zu einem Objektpunkt berechnete Phasenwert aufgrund der räumlichen Fouriertransformation nicht unbeeinflußt von dem Phasenwert in benachbarten Objektpunkten ist. Die laterale Meßauflösung, die Auflösung in der Kameraebene, ist dadurch geringer, als die laterale Auflösung der Kamera selbst. Dieser Nachteil ist bei allen Auswerteverfahren gegeben, die zur Berechnung des Phasenwertes in einem Objektpunkt auch die Meßwerte in benachbarten Objektpunkten berücksichtigen, denn die räumliche Auswertung wirkt stets als Tiefpassfilter.Furthermore This method has the disadvantage that it becomes an object point calculated phase value based on the spatial Fourier transform not unaffected of the phase value in neighboring object points. The lateral Measurement resolution, the resolution in the camera plane, is therefore lower than the lateral resolution of the Camera itself. This disadvantage is present in all evaluation methods, those for calculating the phase value in an object point also the readings in neighboring object points, because the spatial Evaluation always acts as a low pass filter.

Der letztgenannte Nachteil ist bei den sogenannten Phasenverschiebeverfahren vermieden, bei denen mindestens drei in der Phase verschobene Helligkeitsmuster zeitlich nacheinander aufgenommen werden und der zu einem Objektpunkt gehörige Phasenwert aus den Helligkeiten der phasenverschobenen Helligkeitsmuster in diesem Objektpunkt berechnet wird (Auswertung im Zeitbereich). Einige Algorithmen zur Auswertung solcher phasenverschobener Muster sind in dem Aufsatz von K. Creath "Comparison of phase measurement algorithms" in Proceedings of the SPIE Vol. 680 (1986) miteinander verglichen. Bei diesem Verfahren ist es jedoch erforderlich, die Werte der Phasenverschiebungen zwischen den Mustern sehr genau zu kennen, da von der Genauigkeit dieser Werte die erreichbare Meßgenauigkeit wesentlich abhängt. Dazu können entweder die Phasenstufen jeweils gemessen oder der zur Phasenverschiebung verwendete Piezotranslator kalibriert werden. Außerdem ist es u.a. aus obigen Aufsatz auch bekannt, aus vier phasenverschobenen Helligkeitsmustern den Wert der Phasenverschiebung zu berechnen, wenn die Phasenverschiebung stets denselben Betrag hat.The the latter disadvantage is the so-called phase shifting method avoided where at least three brightness patterns shifted in phase sequentially recorded and that to an object point associated Phase value from the brightness of the phase-shifted brightness pattern is calculated in this object point (evaluation in the time domain). Some algorithms for evaluating such phase-shifted patterns are described in the article by K. Creath "Comparison of phase measurement algorithms" in Proceedings of the SPIE Vol. 680 (1986) compared. With this procedure however, it is necessary to change the values of the phase shifts between to know the patterns very well, because of the accuracy of these Values the achievable measuring accuracy depends significantly. You can do this either the phase steps measured or the phase shift Piezotranslator used are calibrated. In addition, it is from above Essay also known, from four phase-shifted brightness patterns to calculate the value of the phase shift when the phase shift always has the same amount.

Aus Applied Optics, Vol. 27, 5082 (1988) ist darüberhinaus eine iterative Methode zur Korrektur der einzelnen Phasenstufen beim Phasenverschiebeverfahren bekannt. Dazu werden die Meßwerte nacheinander aufgezeichneter Interferogramme in zwei Kamerapixeln berücksichtigt, die sich in Phasenquadratur zueinander befinden. Aus diesen Meßwerten wird iterativ ein Korrekturwert für die am Piezotranslator, der der Phasenverschiebung dient, anliegenden Spannung gewonnen. Die an dem Piezotranslator anliegende Spannung wird dann derart eingestellt, daß die Summe aller Phasenstufen gerade 2π ergibt und die einzelnen Phasenstufen äquidistant sind.Out Applied Optics, Vol. 27, 5082 (1988) is also an iterative method to correct the individual phase levels in the phase shifting process known. For this, the measured values successively recorded interferograms in two camera pixels considered, which are in phase quadrature with each other. From these measurements is iteratively a correction value for that on the piezotranslator serves the phase shift, applied voltage is obtained. The The voltage applied to the piezotranslator is then set in such a way that the Sum of all phase steps is just 2π and the individual phase levels equidistant are.

Eine verbesserte Korrektur der Phasenstufen ergibt sich, wenn zur Berechnung des Korrekturwertes die Meßwerte mehrerer Kamerapixel berücksichtigt werden. Nachdem ein Korrekturwert für zwei sich in Phasenquadratur befindliche Kamerapixel berechnet ist, wird ein nächster Korrekturwert für die beiden benachbarten Kamerapixel und ein weiterer Korrekturwert für die beiden übernächsten Kamerapixel berechnet. Dieses Vorgehen wird über ein ganzzahliges Vielfaches der Streifenperiode wiederholt. Der verbesserte Korrekturwert ergibt sich dann als Mittelwert der einzelnen Korrekturwerte. Dabei ist jedoch vorausgesetzt, daß sich die beiden benachbarten Kamerapixel wiederum in Phasenquadratur befinden, daß also das Streifenmuster eine Raumfrequenz hat, die sich auch über eine Vielzahl von Kamerapixeln nur geringfügig ändert.An improved correction of the phase steps results if the measured values of several camera pixels are taken into account for calculating the correction value. After a correction value has been calculated for two camera pixels in phase quadrature, a next correction value for the two adjacent camera pixels and a further correction value for the two next but one camera pixels are calculated. This procedure is repeated over an integer multiple of the strip period. The improved correction value is then the average of the individual correction values. However, it is assumed that the the neighboring camera pixels are in phase quadrature, so that the stripe pattern has a spatial frequency that changes only slightly over a large number of camera pixels.

Wie bereits weiter oben angedeutet, ist es bei allen Phasenverschiebeverfahren erforderlich, die vorgesehenen Phasenstufen mit hoher Genauigkeit einzuhalten bzw. die tatsächlichen Phasenstufen genau zu bestimmen. Die genaue Einhaltung der vorgesehenen Phasenstufen ist jedoch bei Anwesenheit von Erschütterungen häufig nicht oder nur durch aufwendige mechanische Dämpfungsmaßnahmen möglich. In diesem Fall versagt auch das in Applied Optics, Vol. 27, 5082, (1988) beschriebene und sehr rechenaufwendige Korrekturverfahren, da die Korrektur des Piezotranslators vor der eigentlichen Topographiemessung erfolgt. Die Messung der tatsächlichen Phasenstufen ist insbesondere bei Präzisionsmessungen sehr aufwendig, da die Phasenstufen mit in etwa der Genauigkeit gemessen werden müssen, die der gewünschten Meßauflösung des Interferometers entspricht.How Already indicated above, it is the case with all phase shifting methods required, the planned phase levels with high accuracy comply with or the actual Determine phase levels exactly. Exact compliance with the intended However, phase levels are in the presence of vibrations frequently not possible or only possible through complex mechanical damping measures. In this case it fails also that described in Applied Optics, Vol. 27, 5082, (1988) and very computationally expensive correction procedures, since the correction of the piezotranslator before the actual topography measurement. The measurement of actual Phase stages are very complex, especially for precision measurements, since the phase levels are measured with approximately the accuracy have to, that of the desired Measurement resolution of the interferometer equivalent.

Die soeben beschriebenen Probleme treten nicht nur bei der Auswertung interferometrischer Streifenbilder, sondern auch bei der Topographiemessung mittels projizierter Streifen auf. Entsprechende Verfahren sind beispielsweise aus SPIE Vol. 728, 189, (1986), der US-PS 4 488 172, US-PS 4 499 492 und der US-PS 4 641 972 bekannt. Bei diesen Verfahren werden mehrere in der Phase verschobene Streifenmuster auf die zu untersuchende Oberfläche projiziert und jeweils ein Bild des projizierten Musters aufgenommen. In Analogie zur Phasenverschiebeinterferometrie wird dann aus den Intensitätsmeßwerten der verschiedenen phasenverschobenen Bilder die Oberflächentopographie in jedem Bildpunkt der Kamera rekonstruiert. Auch hier ist es erforderlich, die Werte der Phasenstufen sehr genau zu ermitteln, da auch hier fehlerhafte Phasenstufen zu fehlerhaften Meßwerten führen.The Problems just described do not only occur in the evaluation interferometric stripe images, but also in topography measurement by means of projected strips. Appropriate procedures are for example from SPIE Vol. 728, 189, (1986), US Pat. No. 4,488,172, U.S. Patent 4,499,492 and U.S. Patent 4,641,972 are known. With these procedures several stripe patterns shifted in phase towards the investigating surface projected and one image of the projected pattern was recorded. In analogy to the phase shift interferometry, the measured intensities of the different phase-shifted images the surface topography reconstructed in every pixel of the camera. Again, it is necessary to determine the values of the phase levels very precisely, because here too incorrect phase levels lead to incorrect measured values.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, daß eine Auswertung der Helligkeitsmuster mit maximaler lateraler Auflösung ermöglicht und auch bei äußeren Störungen, wie Erschütterungen, eine zuverlässige und genaue Auswertung gewährleistet.It the object of the present invention is a method of the beginning Specify the type mentioned that a Evaluation of the brightness pattern with maximum lateral resolution enables and also with external disturbances, like shocks, a reliable and accurate evaluation guaranteed.

Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß anhand der in dem ersten Verfahrensschritt berechneten Phasenverschiebungen in einem zweiten Schritt die Phasenlagen der Muster in den einzelnen Bildpunkten aus mindestens drei relativ zueinander in der Phase verschobenen Mustern bestimmt werden.This Task will be according to the characteristic Part of claim 1 solved by that based on the phase shifts calculated in the first method step in a second step, the phase positions of the patterns in the individual Pixels from at least three in phase relative to each other shifted patterns can be determined.

Durch die pixelweise Auswertung von mindestens drei Bildern im zweiten Verfahrensschritt ist eine hohe laterale Auflösung gewährleistet, denn die hier ermittelten Phasenlagen der Muster werden völlig unabhängig von den Phasenlagen der Muster in benachbarten Kamera-pixeln berechnet. Eine Tiefpaßfilterung findet daher nicht statt.By the pixel-by-pixel evaluation of at least three images in the second The method step ensures a high lateral resolution because the ones determined here Phases of the patterns become complete independently calculated from the phase positions of the patterns in neighboring camera pixels. Low pass filtering therefore does not take place.

Der zweite Verfahrensschritt ist zwar für sich alleine betrachtet aus den bereits zitierten Literaturstellen bekannt. Die vorliegende Erfindung besteht dementsprechend gerade darin, das an sich bekannte Verfahren zur getrennten Auswertung einzelner Muster (Auswertung im Ortsbereich) dazu zu verwenden, die Phasenlage phasenverschobener Muster zueinander oder bezüglich einer vorgegebenen Anfangsphasenlage genau und zuverlässig aus den aufgenommenen Bildern selbst zu ermitteln, um unter Ausnutzung dieser Kenntnis eine Auswertung nach dem Phasenverschiebeverfahren mit hoher lateraler Auflösung durchzuführen (Auswertung im Zeitbereich). Dadurch ist stets der Wert der tatsächlichen Phasenverschiebung auch bei Anwesenheit von äußeren Störungen, wie z.B. Erschütterungen, nach Durchführung des ersten Verfahrensschrittes bekannt. Bestimmte Werte oder ein bestimmter Wertebereich für die Phasenstufen sind dabei nicht einzuhalten, sondern die Phasenstufen können durchaus stochastische Werte annehmen. Dadurch arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren auch beim Einsatz in Werk- und Produktionsstätten sehr zuverlässig.The The second process step is considered on its own known literature references already quoted. The present Accordingly, the invention is precisely that which is known per se Procedure for the separate evaluation of individual samples (evaluation in the local area) to use the phase position more out of phase Patterns to each other or related a specified initial phase position accurately and reliably to determine the captured images yourself, taking advantage of this knowledge an evaluation according to the phase shift method with high lateral resolution perform (Evaluation in the time domain). This is always the value of the actual one Phase shift even in the presence of external disturbances, e.g. shakes, after implementation of the first process step known. Certain values or one certain range of values for the phase levels are not to be observed, but rather the phase levels can take on stochastic values. As a result, the method according to the invention works also very reliable when used in workshops and production facilities.

Während es bei den bekannten Verfahren zur getrennten Auswertung einzelner Muster wie in der US-PS 4 768 881 stets erforderlich ist, auch das ganzzahlige Vielfache der Zahl 2π an jedem Objektpunkt zu berechnen, ist eine solche zeitaufwendige Sprungstellenbeseitigung beim ersten Verfahrensschritt nicht erforderlich. Zur Durchführung des zweiten Verfahrensschrittes genügt es nämlich, wenn die Werte der Phasenstufen modulo 2π bekannt sind. Die Genauigkeit, mit der diese Phasenstufen im ersten Schritt ermittelt werden, ist dabei unab hängig von den Werten dieser Phasenstufen selbst. Und diese Phasenstufen dürfen durchaus auch Werte annehmen, die betragsmäßig größer als π sind. Geeichte und hochgenaue Translatoren zur Bewegung der Muster sind daher nicht erforderlich.While it in the known methods for separate evaluation of individual Patterns as always required in U.S. Patent 4,768,881, including that integer multiples of the number 2π Calculating each object point is such a time-consuming task of eliminating jump points not necessary in the first process step. To carry out the second process step is sufficient namely, if the values of the phase steps modulo 2π are known. The precision, with which these phase levels are determined in the first step independent from the values of these phase levels themselves. And these phase levels allowed to accept values that are larger than π. Verified and highly accurate Translators for moving the patterns are therefore not required.

Die Auswertung der Muster im ersten Verfahrensschritt liefert die Werte der Phasenstufen in Abhängigkeit der lateralen Ortskoordinaten in den Kamerabildern. Dementsprechend ist es auch bei der Auswertung im zweiten Verfahrensschritt möglich, von den lateralen Ortskoordinaten abhängige Phasenstufen zu berücksichtigen. Solche ortsabhängigen Phasenstufen können beispielsweise in der Phasenschiebeinterferometrie durch Rippungen des Referenzspiegels auftreten. Es werden dann zur Bestimmung der Phasenverschiebungen die globalen Phasenlagen durch mathematische Funktionen approximiert. Diese Approximation entspricht einer räumlichen Mittelung der Phasenstufen.The Evaluation of the samples in the first process step provides the values the phase levels depending the lateral location coordinates in the camera images. Accordingly it is also possible for the evaluation in the second process step from phase stages dependent on the lateral location coordinates. Such location dependent Phase stages can for example in phase shift interferometry due to ribbing of the reference mirror occur. It will then be used to determine the The global phase shifts by mathematical Functions approximated. This approximation corresponds to a spatial one Averaging the phase levels.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, insbesondere bei Anwendungen, bei denen solche ortsabhängigen Phasenstufen nur von untergeordneter Bedeutung sind, die im ersten Verfahrensschritt berechneten Phasenwerte verschiedener Kamerabilder an einander entsprechenden Objektpunkten voneinander abzuziehen und diese Differenzen über eine Vielzahl von Objektpunkten zu mitteln. Durch diese Mittelung kann der statistische Fehler, mit denen die Werte der Phasenstufen behaftet sind, um den Faktor 1/√n reduziert werden, wobei n die Anzahl der gemittelten Differenzen ist.However, it is particularly advantageous, in particular in applications in which such location-dependent phase levels are of only minor importance, to subtract the phase values of different camera images calculated in the first method step from corresponding object points and to average these differences over a large number of object points. This averaging can reduce the statistical error affecting the values of the phase levels by a factor of 1 / √ n can be reduced, where n is the number of differences averaged.

Die Ermittelung der Phasenlage der Helligkeitsmuster im ersten Verfahrensschritt erfolgt vorteilhafterweise durch Faltung der Intensitätsmeßwerte mit einer zweidimensionalen Faltungsfunktion. Solche Faltungsalgorithmen sind beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen P 40 14 019.9 beschrieben. The Determination of the phase position of the brightness pattern in the first process step is advantageously carried out by folding the measured intensity values with a two-dimensional folding function. Such convolution algorithms are for example in the German patent application with the file number P 40 14 019.9.

Bei Anwendung des Verfahrens zur Topographiemessung mittels projizierter Helligkeitsmuster ist es vorteilhaft, wenn mindestens zwei Muster gleicher räumlicher Periode unter einem Winkel zueinander geneigt projiziert werden und das gesamte Auswerteverfahren für jedes Muster durchgeführt und anschließend die Differenzen der Phasenwerte der Muster gebildet wird. Durch diese Differenzbildung wird eine Schwebungsfrequenz gebildet, deren Phasenlage unabhängig von der relativen Phasenlage der Muster ist. Die Phasenlage dieser Schwebungsfrequenz ändert sich daher bei der Phasenverschiebung der einzelnen Muster nicht, solange die Phasenstufen für die geneigt zueinander projizierten Muster gleich sind. Dieses läßt sich technisch leicht realisieren, indem zwei Projektionsgitter gleicher Periode an einem gemeinsamen Gitterträger angebracht sind. Zur Phasenverschiebung wird dann der Gitterträger verschoben.at Application of the method for topography measurement using projected Brightness pattern, it is advantageous if at least two patterns same spatial Period can be projected at an angle to each other and performed the entire evaluation process for each sample and subsequently the differences in the phase values of the patterns is formed. By this difference is formed a beat frequency, the Phase position independent on the relative phase of the pattern. The phase position of this Beat frequency changes there is therefore no change in the phase shift of the individual patterns, as long as the phase levels for the patterns projected inclined to each other are the same. This can be technically easy to implement by two projection grids of the same Period are attached to a common lattice girder. For phase shift then becomes the lattice girder postponed.

Die Auswertung der Phasenlagen der geneigt projizierten Muster kann parallel erfolgen, um kurze Auswertezeiten zu gewährleisten.The Evaluation of the phase positions of the inclined projected patterns can in parallel to ensure short evaluation times.

Werden insgesamt drei Muster gleicher räumlicher Periode unter unterschiedlichen Neigungswinkeln projiziert, so können durch Differenzbildung der ermittelten Phasenwerte zwei Schwebungsfrequenzen gebildet werden, wodurch der Eindeutigkeitsbereich der Messung deutlich vergrößert wird.Become a total of three patterns of the same spatial Period projected at different angles of inclination, so by Difference formation of the determined phase values two beat frequencies be formed, whereby the uniqueness of the measurement becomes clear is enlarged.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zwar mit einem entsprechend programmierten Rechner durchgeführt werden. Um jedoch kurze Auswertezeiten zu erhalten, ist es zweckmäßig, einen speziellen hardwaremäßigen Auswerterechner vorzusehen. In einem solchen Auswerterechner sollten für die Berechnung der Phasenlagen im ersten Verfahrensschritt und für die Berechnung der Phasenlagen im zweiten Verfahrensschritt jeweils getrennte Schaltungsanordnungen vorgesehen sein. Da zur Durchführung des zweiten Verfahrensschrittes das Ergebnis des ersten Schrittes benötigt wird, sollte noch ein Speicher vorhanden sein, in dem das jeweilige Kamerabild des Helligkeitsmusters abgespeichert ist.The inventive method can be carried out with a suitably programmed computer. However, in order to obtain short evaluation times, it is advisable to use one special hardware evaluation computer provided. Such an evaluation computer should be used for the calculation the phase positions in the first process step and for the calculation the phase positions in the second method step each separate circuit arrangements be provided. As for implementation of the second process step, the result of the first step needed there should still be a memory in which the respective Camera image of the brightness pattern is saved.

Die Schaltungsanordnungen zur Bestimmung der Phasenlage sowie zur Bildung der Differenz der Phasenlagen der Muster sind vorteilhaft aus Bildspeichern, Look-up-Tabellen und arithmetisch logischen Einheiten aufgebaut. Dies ermöglicht eine Auswertung der Muster in Videoechtzeit.The Circuit arrangements for determining the phase position and for formation the difference of the phase positions of the patterns are advantageous from image memories, Look-up tables and arithmetically logical units built. this makes possible an evaluation of the patterns in video real time.

Die Einrichtung zur Mittelung der Phasendifferenzen ist vorteilhafterweise wenigstens teilweise hardwaremäßig aufgebaut. Lediglich dann, wenn die Anzahl der gemittelten Differenzen von Kamerabild zu Kamerabild schwankt, ist es zweckmäßig, die Division durch die Anzahl der gemittelten Differenzen in dem Rechner durchzuführen, der den Meßablauf steuert. Eine schwankende Anzahl der gemittelten Differenzen ergibt sich immer dann, wenn eine Maskeneinrichtung vorgesehen ist, die ungültige Meßwerte maskiert und dadurch von der weiteren Berücksichtigung ausschließt.The Device for averaging the phase differences is advantageous at least partially constructed in terms of hardware. Only if the number of averaged differences of Camera image to camera image fluctuates, it is appropriate to divide by the Number of averaged differences to be carried out in the computer that the measuring sequence controls. A fluctuating number of averaged differences results whenever a mask device is provided, the invalid readings masked and thereby excluded from further consideration.

Wenn mehrere zueinander geneigt projizierte Muster aufgenommen werden, sollte für jedes Muster eine eigene Schaltungsanordnung zur Berechnung der Phasenlage im zweiten Verfahrensschritt vorgesehen sein, so daß die Auswertung der verschiedenen Muster parallel und dadurch schnell erfolgt.If several patterns inclined to each other are recorded, should for each pattern has its own circuit arrangement for calculating the Phase position can be provided in the second step, so that the evaluation of the different patterns in parallel and therefore takes place quickly.

Im folgenden werden Einzelheiten der Erfindung anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im einzelnen zeigen:in the The following are details of the invention with reference to that in the drawings illustrated embodiment explained in more detail. in the single show:

1 eine perspektivische Darstellung einer Anordnung zur Streifenprojektion; 1 a perspective view of an arrangement for fringe projection;

2 eine Prinzipskizze, die den optischen Aufbau des Streifenprojektors aus 1 zeigt; und 2 a schematic diagram that the optical structure of the strip projector 1 shows; and

3a-c sind Teilschaltbilder des zur Signalauswertung der Vorrichtung aus 1 und 2 benutzten Auswerterechners. 3a - c are partial circuit diagrams of the for signal evaluation of the device 1 and 2 used evaluation computer.

In den 1 und 2 ist ein Aufbau dargestellt, der im wesentlichen aus drei Projektoren mit den Projektionsoptiken (P₁), (P₂) und (P₃) und drei Gittern (G₁), (G₂) und (G₃) mit jeweils gleicher Gitterperiode sowie aus drei Blitzlampen (L₁), (L₂), und (L₃) besteht. Der Kamerasensor (K) nimmt die nacheinander projizierten, durch die unregelmäßige Objektoberfläche (O) deformierten Streifenmuster der Projektoren (P₁), (P₂) und (P₃) auf. Die drei Gitter (G₁), (G₂), (G₃) haben eine kosinusförmige Transmissionscharakteristik. Während die Projektoren (P₁) und (P₂) unter einem reglativ großen Winkel (α₁) von ca. 30° zueinander geneigt sind, schließen die beiden nebeneinander angeordneten Projektoren (P₂) und (P₃) einen relativ kleinen Winkel (α₂) von beispielsweise 0,5° ein. Dieser kleine, in der Zeichenebene wirksame Winkel (α₂) kann dadurch realisiert sein, daß der Projektor (P₂) mit dem Gitter (G₂) oberhalb der Zeichenebene und der Projektor (P₃) mit dem Gitter (G₃) unterhalb der Zeichenebene angeordnet ist. Da eine Verschiebung der Projektoren und der Gitter parallel zu den Teilungen der Gitter keinen Einfluß auf die Auswertung der von der Kamera (K) aufgenommenen Bilder hat, ist in dem Ausführungsbeispiel nach 2 die Anordnung der Projektionszentren (Z₁), (Z₂) und (Z₃) zur Vereinfachung auf einer Geraden vorgesehen.In the 1 and 2 a structure is shown, which consists essentially of three projectors with the projection optics (P ₁ ), (P ₂ ) and (P ₃ ) and three gratings (G ₁ ), (G ₂ ) and (G ₃ ) with the same grating period and consists of three flash lamps (L ₁ ), (L ₂ ), and (L ₃ ). The camera sensor (K) records the stripe patterns of the projectors (P ₁ ), (P ₂ ) and (P ₃ ) that are projected one after the other and deformed by the irregular object surface (O). The three gratings (G ₁ ), (G ₂ ), (G ₃ ) have a cosine-shaped transmission characteristic. While the projectors (P ₁ ) and (P ₂ ) are inclined at a regulatively large angle (α ₁ ) of approx. 30 ° to one another, the two projectors (P ₂ ) and (P ₃ ) arranged side by side close a relatively small angle ( α ₂ ) of, for example, 0.5 °. This small, effective in the drawing plane angle (α ₂ ) can be realized in that the projector (P ₂ ) with the grating (G ₂ ) above the drawing plane and the projector (P ₃ ) with the grating (G ₃ ) below Drawing plane is arranged. Since a shift of the projectors and the grids parallel to the divisions of the grids has no influence on the evaluation of the images taken by the camera (K), the embodiment of FIG 2 the arrangement of the projection centers (Z ₁ ), (Z ₂ ) and (Z ₃ ) is provided for simplification on a straight line.

Durch diese Anordnung lassen sich zwei Sätze von Ebenen konstanter Phasendifferenz definieren, nämlich die Phasendifferenzen der Streifenmuster der beiden Projektoren (P₁) und (P₂) sowie die Phasendifferenzen der beiden Streifenmuster der Projektoren (P₂) und (P₃), wobei den aufeinanderfolgenden Flächen gleicher Phasendifferenz unterschiedliche effektive Wellenlängen (λ_eff) in z-Richtung zugeordnet werden kann. Die effektive Wellenlänge (λ_eff) wird durch die Gitterkonstante der Gitter (G₁), (G₂) und (G₃) und den Winkel (α₁) bzw. (α₂) zwischen den Projektionsachsen der jeweiligen Projektoren bestimmt und hängt, da die Gitterkonstanten der Gitter (G₁) bis (G₃) gleich sind, deshalb nur von den Winkeln (α₁) und (α₂) ab. Nachfolgend werden Formeln abgeleitet, aus denen sich die Objektkoordinaten (x), (y) und (z) aus den von den drei Projektoren (P₁), (P₂) und (P₃) projizierten Streifenmustern für die einzelnen Punkte der Objektoberfläche berechnen lassen. Hierfür ist vorausgesetzt, daß sich die Projektionszentren (Z₁), (Z₂) und (Z₃) der Projektionsobjektive auf einer sich in x-Richtung erstreckenden Geraden liegen und die drei Gitter (G₁) bis (G₃) in einem gleichen Abstand (a) hinter dieser Geraden angeordnet sind. Die Gitter sind beispielsweise auf einem gemeinsamen Träger (W) aus Glas oder einem Material mit niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten wie z.B. Zerodur angeordnet und können zur Bewegung der Muster gemeinsam relativ zur CCD-Kamera (K) in Richtung der Geraden (x) mit Hilfe einer Federwippe spielfrei bewegt werden. Auch die Projektoren (P₁), (P₂) und (P₃) sind auf einem gemeinsamen in 1 nicht dargestellten Träger angeordnet, der aus dem gleichen Material besteht, wie der Träger (W) der Gitter. Eine hinreichende Wärmeleitung zwischen beiden Trägern gewährleistet, daß der Temperaturunterschied zwischen ihnen gering ist. Der Einfluß der Umgebungstemperatur auf die Meßgenauigkeit ist dadurch reduziert. Die photoempfindliche Fläche der Kamera, d.h. der CCD-Sensor ist im Abstand (a_K) hinter dem Beobachtungsobjektiv (Bo) angeordnet.With this arrangement, two sets of levels of constant phase difference can be defined, namely the phase differences of the stripe patterns of the two projectors (P ₁ ) and (P ₂ ) and the phase differences of the two stripe patterns of the projectors (P ₂ ) and (P ₃ ), the successive surfaces of the same phase difference can be assigned different effective wavelengths (λ _eff ) in the z direction. The effective wavelength (λ _eff ) is determined and depends on the grating constant of the grating (G ₁ ), (G ₂ ) and (G ₃ ) and the angle (α ₁ ) or (α ₂ ) between the projection axes of the respective projectors, since the lattice constants of the lattices (G ₁ ) to (G ₃ ) are the same, therefore only from the angles (α ₁ ) and (α ₂ ). In the following, formulas are derived from which the object coordinates (x), (y) and (z) are calculated from the stripe patterns projected by the three projectors (P ₁ ), (P ₂ ) and (P ₃ ) for the individual points on the object surface to let. For this it is assumed that the projection centers (Z ₁ ), (Z ₂ ) and (Z ₃ ) of the projection objectives lie on a straight line extending in the x direction and the three gratings (G ₁ ) to (G ₃ ) are in the same Distance (a) are arranged behind this straight line. The grids are arranged, for example, on a common support (W) made of glass or a material with a low coefficient of thermal expansion, such as Zerodur, and can move the patterns together relative to the CCD camera (K) in the direction of the straight line (x) using a spring rocker be moved without play. The projectors (P ₁ ), (P ₂ ) and (P ₃ ) are on a common in 1 Arranged not shown carrier, which consists of the same material as the carrier (W) of the grid. Adequate heat conduction between the two carriers ensures that the temperature difference between them is small. This reduces the influence of the ambient temperature on the measuring accuracy. The photosensitive surface of the camera, ie the CCD sensor, is arranged at a distance (a _K ) behind the observation objective (Bo).

Durch den beschriebenen Aufbau ist die Geometrie des Meßgeräts im wesentlichen bestimmt. Die z.B. an einem exemplarischen Punkt (x, y = 0,z) projizierten Gitterorte (x_p1, x_p2, x_p3) werden mit der Videokamera, z.B. einer CCD-Kamera, beobachtet. Das Zentrum (x_0k) des Beobachtungsobjektivs (Bo) der Kamera legt den Ursprung des von den Projektoren (P₁) bis (P₃) vorbestimmten Koordinatensystems fest. The geometry of the measuring device is essentially determined by the structure described. The grid locations (x _p1 , x _p2 , x _p3 ) projected, for example, at an exemplary point (x, y = 0, z) are observed with the video camera, for example a CCD camera. The center (x _0k ) of the observation _lens (Bo) of the camera defines the origin of the coordinate system predetermined by the projectors (P ₁ ) to (P ₃ ).

Durch Betrachten ähnlicher Dreiecke erhält man für die Projektoren

und für die KameraBy looking at similar triangles one gets for the projectors

and for the camera

Die Kombination der Kameragleichung (4) mit den Projektionsgleichungen (1)–(3) liefert

wobei die Differenzen (x_opi – x_pi, i = 1..3) als das (n_i + δ_i)-fache der Streifenperiode (P) mit (n_i) als einem Element der natürlichen Zahlen und (δ_i < 1) ausgedrückt sind.The combination of the camera equation ( 4 ) with the projection equations ( 1 ) - ( 3 ) delivers

where the differences (x _opi - x _pi , i = 1..3) as the (n _i + δ _i ) times the strip period (P) with (n _i ) as an element of the natural numbers and (δ _i <1 ) are expressed.

Betrachtet man den Zusammenhang zwischen den Beobachtungen der Streifenmuster zweier Projektoren und bildet Differenzen, so erhält man aus (5), (6) und (7)

wobei K₁, K₂, K₃ Gerätekonstanten sind,
N₁ = n₁ – n₂, N₂ = n₁ – n₃, N₃ = n₂ – n₃ und
Δ₁ = δ₁ – δ₂, Δ₂ = δ₁ – δ₃, Δ₃ = δ₂ – δ₃ ist.If one looks at the relationship between the observations of the stripe patterns of two projectors and forms differences, one obtains from (5), (6) and (7)

where K ₁ , K ₂ , K _{3 are} device constants,
N ₁ = n ₁ - n ₂ , N ₂ = n ₁ - n ₃ , N ₃ = n ₂ - n ₃ and
Δ ₁ = δ ₁ - δ ₂ , Δ ₂ = δ ₁ - δ ₃ , Δ ₃ = δ ₂ - δ ₃ .

Die Formeln (11), (12) und (13) beschreiben Ebenen konstanter Phasendifferenz (N_i – Δ_i) zwischen je zwei Projektionen, die parallel zur x/y-Ebene liegen. Sie hängen nicht vom Beobachtungsort (x_k, y_k) auf der Kamera ab. Zur Messung müssen die ganzen Zahlen (N₁, N₂, N₃) und die Bruchteile (Δ₁, Δ₂, Δ₃) bestimmt werden.The formulas (11), (12) and (13) describe planes of constant phase difference (N _i - Δ _i ) between two projections, which are parallel to the x / y plane. They do not depend on the observation location (x _k , y _k ) on the camera. The whole numbers (N ₁ , N ₂ , N ₃ ) and the fractions (Δ ₁ , Δ ₂ , Δ ₃ ) must be determined for the measurement.

Den Flächen gleicher Phasendifferenz, die durch die Gleichungen (11), (12) und (13) beschrieben sind, lassen sich unterschiedliche effektive Wellenlängen (λ_eff) der Phasendifferenzen zuordnen. Für die aus einer Kombination der Projektoren (P₁) und (P₂) gewonnena Gleichung (11) und die aus einer Kombination der Projektoren (P₁) und (P₃) gewonnene Gleichung (12) liegen relativ kurze effektive Wellenlängen vor, während in dem durch Gleichung (13) beschriebenen Fall der Kombination der beiden Projektoren (P₂) und (P₃) eine vergleichsweise grolle Wellenlänge (λ_eff) zugeordnet werden kann. Wesentlich ist, daß die verschiedenen effektiven Wellenlängen über die Winkel (α₁), (α₂) zwischen den Projektoren hochstabil eingestellt werden können.Different effective wavelengths (λ _eff ) of the phase differences can be assigned to the surfaces of the same phase difference, which are described by equations (11), (12) and (13). For the equation (11) obtained from a combination of the projectors (P ₁ ) and (P ₂ ) and the equation (12) obtained from a combination of the projectors (P ₁ ) and (P ₃ ), there are relatively short effective wavelengths, while in the case of the combination of the two projectors (P ₂ ) and (P ₃ ) described by equation (13), a comparatively long wavelength (λ _eff ) can be assigned. It is essential that the different effective wavelengths can be set in a highly stable manner between the projectors via the angles (α ₁ ), (α ₂ ).

Für die Auswertung der Messungen in einem Rechner bietet es sich an, die Formeln (11), (12) und (13) noch einmal umzuformulieren:

For the evaluation of the measurements in a computer, it is advisable to reformulate the formulas (11), (12) and (13) again:

Zur vollständigen Bestimmung der Koordinaten (x), (y) und (z) eines Bildpunktes werden die Lateralkoordinaten (x) und (y) über das Abbildungsgesetz mit

berechnet.For the complete determination of the coordinates (x), (y) and (z) of a pixel, the lateral coordinates (x) and (y) are included using the mapping law

calculated.

Zur Auswertung werden die projizierten Streifenmuster der drei Projektoren (P₁) bis (P₃) in Zeitmultiplexbetrieb durch das Objektiv (Bo) von der Kamera (K) aufgenommen und getrennt in verschiedene Bildspeicher eingelesen. Die Berechnung der Objektkoordinaten (x), (y) und (z) nach den angegebenen Formeln geschieht dann wie nachstehend anhand von 3a-3c beschrieben in einem hardwaremäßig aufgebauten Bildverarbeitungsrechner. Dieser Rechner verarbeitet die Bilddaten in Videoechtzeit. Er ist hierzu in Form einer Pipelinestruktur auch mit teilweise parallelen Datenpfaden aufgebaut und wird von einem Host-Rechner mit bekannter von Neumann-Struktur, d.h. beispielsweise einem kommerziell erhältlichen Prozeßrechner gesteuert. Für die weitere Beschreibung des Auswerterechners wird auf die 3a-3c Bezug genommen, in denen dieser im Blockschaltbild dargestellt ist.For evaluation, the projected stripe patterns of the three projectors (P ₁ ) to (P ₃ ) are recorded by the camera (K) in time-division multiplex operation through the lens (Bo) and are separately read into different image memories. The calculation of the object coordinates (x), (y) and (z) according to the formulas given then takes place as follows using 3a - 3c described in a hardware-based image processing computer. This computer processes the image data in real time. For this purpose, it is constructed in the form of a pipeline structure with partially parallel data paths and is controlled by a host computer with a known von Neumann structure, that is to say, for example, a commercially available process computer. For the further description of the evaluation computer, refer to the 3a - 3c Reference, in which this is shown in the block diagram.

Dort sind vier unterschiedliche Funktionsbaugruppen mit (A), (B), (C) und (D) bezeichnet. Die Funktionsbaugruppe (A) stellt die Schnittstelle zu den externen Sensoren bzw. zu steuernden Teilen der Vorrichtung dar. Sie enthält einen Analog/Digitalwandler (12), der das Signal der Video-Kamera (K) in Videoechtzeit digitalisiert. Zur Ansteuerung der Blitzlampen (L₁) bis (L₃) (siehe 1) enthält die Schnittstellenkarte (A) eine Triggerschaltung (31), die mit der Kamera (K) synchronisiert ist. Die Schnittstellenkarte (A) enthält außerdem die Steuerelektronik (32) für den Motor, mit dem das Objektiv (Bo) der Kamera (K) auf unterschiedliche Objektbereiche, wie in 1 durch den Pfeil (Pf₂) angedeutet, scharf gestellt werden kann. Die Abfolge der Blitze und die Verstellung des Objektivs wird entsprechend einem festgelegten Meßprogramm des in der 3a-3c nicht dargestellten konventionellen Host-Rechners gesteuert. Dies ist durch die beiden Pfeile "Host" symbolisiert, die auch an anderer Stelle in der Schaltung nach 3a, 3b und 3c auftauchen.There, four different function modules are labeled (A), (B), (C) and (D). The function module (A) represents the interface to the external sensors or parts of the device to be controlled. It contains an analog / digital converter ( 12 ), which digitizes the signal from the video camera (K) in real time. To control the flash lamps (L ₁ ) to (L ₃ ) (see 1 ) the interface card (A) contains a trigger circuit ( 31 ), which is synchronized with the camera (K). The interface card (A) also contains the control electronics ( 32 ) for the motor with which the lens (Bo) of the camera (K) on different object areas, as in 1 indicated by the arrow (Pf ₂ ), can be focused. The sequence of the flashes and the adjustment of the lens is carried out according to a specified measurement program in the 3a - 3c controlled conventional host computer, not shown. This is symbolized by the two arrows "host", which can also be found elsewhere in the circuit 3a . 3b and 3c Pop up.

Das digitalisierte Videosignal, das den A/D-Wandler (12) verläßt, wird, jenachdem welches der drei Muster gerade projiziert wird, in einem von drei Bildspeichern (13a-c) zwischengespeichert. Gleichzeitig ist das digitalisierte Videosignal den Eingängen zweier parallel geschalteter Konvolutionsbausteirie (14a) und (14b) in der Funktionsbaugruppe (B) zugeführt. Diese beiden Bausteine (14a) und (14b) führen eine Faltungsoperation durch, um den Sinus bzw. Kosinus der Streifenphase an den einzelnen Objektpunkten aus den Meßwerten in einer Umgebung dieser Objektpunkte zu bestimmen. Entsprechende Algorithmen sind in der Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen P 40 14 019.9 beschrieben. Die Ausgänge. der Bausteine (14a, 14b) sind einer Schaltung (15) zugeführt, in der die Streifenphase aus dem Sinus und dem Kosinus berechnet wird. Hierzu ist in einer der Schaltung (15) zugeordneten Tabelle die Funktion Arcustangens abgelegt. Gleichzeitig werden auf der Basis der in der Schaltung (15) berechneten Phasenwerte ungültige Meßwerte maskiert. Ungültige Meßwerte sind solche, die bei entweder zu hoher oder zu geringer Beleuchtungsintensität aufgenommen worden sind und deren Pegel deshalb über oder unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt. Die Maske, die diese Bildbereiche maskiert, wird in einem parallel zum Meßdatenstrom in dem mit (C) bezeichneten Schaltungsteil erzeugt, wie nachfolgend noch beschrieben werden wird. Ein Zähler (16) zählt die Anzahl der gültigen Meßpunkte pro Videobild.The digitized video signal that the A / D converter ( 12 ), depending on which of the three patterns is currently being projected, is stored in one of three image memories ( 13a - c ) cached. At the same time, the digitized video signal is the inputs of two parallel convolution components ( 14a ) and ( 14b ) in the function module (B). These two building blocks ( 14a ) and ( 14b ) perform a convolution operation in order to determine the sine or cosine of the stripe phase at the individual object points from the measured values in an environment of these object points. Corresponding algorithms are described in the patent application with the file number P 40 14 019.9. The exits. the building blocks ( 14a . 14b ) are a circuit ( 15 ) in which the stripe phase is calculated from the sine and the cosine. For this purpose, one of the circuits ( 15 ) associated table the Arcustangens function. At the same time, on the basis of the in the circuit ( 15 ) calculated phase values masked invalid measured values. Invalid measured values are those which were recorded with either too high or too low illumination intensity and whose level is therefore above or below a predetermined limit value. The mask which masks these image areas is generated in a circuit part denoted by (C) parallel to the measurement data stream, as will be described below. A counter ( 16 ) counts the number of valid measuring points te per video image.

Der Aus an der Schaltung (15) ist drei parallel geschalteten Bildspeichern (17a-c) zugeführt. Dort werden die in der Schaltung (15) berechneten Phasenwerte (δ₁), (δ₂) und (δ₃) der von den drei Projektoren (P₁), (P₂) und (P₃) im Zeitmultiplexbetrieb nacheinander projizierten Streifenmuster zwischengespeichert. Parallel zu den Bildspeichern (17a-c) ist eine als Subtrahierer geschaltete arithmetisch logische Einheit ALU (33) vorgesehen. Diese ALU (33) bildet die Differenz des von der Schaltung (15) berechneten aktuellen Phasenwertes und des zuvor in einem der Bildspeicher (17a-c) abgespeicherten Phasenwertes, der zu einem Muster mit verschobener Phase gehört. Dazu wird der jeweilige Bildspeicher (17a-c) unmittelbar bevor der aktuelle Phasenwert eingelesen wird, nocheinmal ausgelesen. Der Ausgang des Subtrahierers ist einer Additionsstufe (34) zugeführt, die die zu den gültigen Meßwerten gehörenden Differenzen der Phasenwerte aufaddiert und die Summe in einem Register (35) ablegt. Auf dieses Register (35) sowie auf den Zähler (16) hat der Hostrechner Zugriff, der den Quotienten aus der im Register (35) abgespeicherten Summe und der Anzahl der gültigen Meßwerte bildet. Dieser Quotient ist ein hochgenauer Mittelwert für die relativen Phasenstufen zwischen aufeinander folgenden Bildern. Die Gesamtphasenverschiebung (φ_i) bezüglich des ersten Bildes ergibt sich durch Summation der relativen Phasenstufen.The end of the circuit ( 15 ) is three image memories connected in parallel ( 17a - c ) fed. There in the circuit ( 15 ) calculated phase values (δ ₁ ), (δ ₂ ) and (δ ₃ ) of the stripe patterns successively projected by the three projectors (P ₁ ), (P ₂ ) and (P ₃ ) in time division multiplexing. Parallel to the image memories ( 17a - c ) is an arithmetic logic unit ALU connected as a subtractor ( 33 ) intended. This ALU ( 33 ) forms the difference between that of the circuit ( 15 ) calculated current phase value and that previously in one of the image memories ( 17a - c ) stored phase value, which belongs to a pattern with shifted phase. To do this, the respective image memory ( 17a - c ) read out again immediately before the current phase value is read in. The output of the subtractor is an addition stage ( 34 ) which adds the differences in the phase values belonging to the valid measured values and the sum in a register ( 35 ) stores. On this register ( 35 ) and on the counter ( 16 ) the host computer has access, which divides the quotient from the 35 ) stored sum and the number of valid measured values. This quotient is a highly accurate mean for the relative phase levels between successive images. The total phase shift (φ _i ) with respect to the first image results from the summation of the relative phase steps.

Die in den Bildspeichern (13a-c) abgespeicherten Videobilder sind über einen mit (c) bezeichneten Datenpfad einer weiteren Funktionsbaugruppe (D) (siehe 3c) zugeführt, die zur Berechnung der Phasenlage δ der Muster aus mehreren Phasen verschobenen Mustern dient. Diese Funktionsbaugruppe (D) besteht aus drei parallel geschalteten, identischen Untergruppen. Die Bezugszeichen der ersten Untergruppe sind alle mit einem (a) versehen. Diese Untergruppe verarbeitet die im Bildspeicher (13a) zwischengespeicherten Videobilder. Entsprechend sind die Bezugszeichen der beiden anderen Untergruppen mit einem (b) bzw. (c) versehen, je nachdem ob sie die im Bildspeicher (13b) oder (13c) zwischengespeicherten Videobilder verarbeiten. Es ist somit für jeden Projektor (P₁, P₂, P₃) und somit auch für jedes projizierte Muster eine eigene Untergruppe vorgesehen.The in the image memories ( 13a - c ) stored video images are via a data path labeled (c) of another function module (D) (see 3c ) supplied, which is used to calculate the phase position δ of the patterns from several phases shifted patterns. This function module (D) consists of three identical sub-groups connected in parallel. The reference symbols of the first sub-group are all provided with an (a). This subgroup processes the data in the image memory ( 13a ) cached video images. Correspondingly, the reference symbols of the two other subgroups are provided with (b) or (c), depending on whether they contain the data in the image memory ( 13b ) or ( 13c ) process cached video images. A separate subgroup is therefore provided for each projector (P ₁ , P ₂ , P ₃ ) and therefore also for each projected pattern.

Jede dieser Untergruppen führt eine Ausgleichsrechnung der Form

für jedes Kamerapixel durch, wobei

und N die Anzahl der Phasenverschiebungen ist.Each of these subgroups performs a form equalization calculation

through for each camera pixel, where

and N is the number of phase shifts.

Dabei sind die jeweiligen Intensitätsmeßwerte Ii und die Werte der Phasenstufen (φi) bezogen auf den ersten Satz der Videobilder. Der Wert N gibt die Anzahl der durchgeführten Phasenverschiebungen an. Für die Berechnung des gesuchten Phasenwertes δ nach Gleichung (18) ist angenommen, daß sich der Intensitätsmeßwert Ii nach der (i – 1)-sten Phasenverschiebung zu Ii = A + B cos(δ + φi) (19)ergibt, wobei A, B Konstanten sind. Es läßt sich zeigen, daß für N ≥ 3 Phasenverschiebungen der Phasenwert aus Gleichung (18) berechnet werden kann.The respective intensity measurement values Ii and the values of the phase steps (φi) are related to the first set of video images. The value N indicates the number of phase shifts carried out. For the calculation of the sought phase value δ according to equation (18), it is assumed that the intensity measurement value Ii increases after the (i-1) th phase shift Ii = A + B cos (δ + φi) (19) where A, B are constants. It can be shown that for N ≥ 3 phase shifts the phase value can be calculated from equation (18).

Im folgenden wird lediglich die erste Untergruppe näher beschrieben. Diese besteht aus drei parallel geschalteten Additions-/Multiplikationseinheiten (43a), (44a), (45a). Jeder dieser Additions-/Multiplikationseinheiten (43a), (44a), (45a) ist der Ausgang des Bildspeichers (13a) über den Datenpfad (c) zugeführt. Den zweiten Eingängen dieser Additions-/Multiplikationseinheiten (43a), (44a), (45a) sind jeweils die Ausgänge eines Bildspeichers (46a), (47a), (48a) zugeführt, in denen anschließend auch das Rechenergebnis wieder abgelegt wird. Die Einheit (43a) addiert lediglich den aktuellen Intensitätswert (I) zu dem bereits im Bildspeicher (46a) abgespeicherten Wert hinzu. Die Einheit (44a) multipliziert den aktuellen Intensitätswert (I) mit dem cosinus der letzten vom Host berechneten Phasenstufe φ und addiert diesen Wert zu dem bereits im Bildspeicher (47a) abgespeicherten Wert hinzu. Analog dazu multipliziert die Einheit (45a) den aktuellen Intensitätswert (I) mit dem sinus φ der letzten Phasenstufe und addiert diesen Wert zu dem bereits im Bildspeicher (48a) abgespeicherten Wert hinzu. Die Werte sin φ und cos φ werden dabei den Einheiten (44a), (45a), vom Hostrechner zugeführt. Der Hostrechner selbst berechnet diese Werte aus dem Quotienten der im Register (35) abgespeicherten Summe und der jeweiligen Anzahl der gültigen Meßwerte, die von dem Zähler (16) bereitgehalten wird.Only the first subgroup is described in more detail below. This consists of three addition / multiplication units connected in parallel ( 43a ), ( 44a ), ( 45a ). Each of these addition / multiplication units ( 43a ), ( 44a ), ( 45a ) is the output of the image memory ( 13a ) via the data path (c). The second inputs of these addition / multiplication units ( 43a ), ( 44a ), ( 45a ) are the outputs of an image memory ( 46a ), ( 47a ), ( 48a ), in which the calculation result is then stored again. The unit ( 43a ) just adds the current intensity value (I) to that already in the image memory ( 46a ) added value. The unit ( 44a ) multiplies the current intensity value (I) by the cosine of the last phase step φ calculated by the host and adds this value to that already in the image memory ( 47a ) added value. Similarly, the unit multiplies ( 45a ) the current intensity value (I) with the sine φ of the last phase stage and adds this value to that already in the image memory ( 48a ) added value. The values sin φ and cos φ are the units ( 44a ), ( 45a ), supplied by the host computer. The host computer itself calculates these values from the quotient of the in the register ( 35 ) stored sum and the respective number of valid measured values, which are from the counter ( 16 ) is kept ready.

Nachdem die gewünschte Anzahl an Phasenverschiebungen durchgeführt ist, sind im Bildspeicher (46a) die Werte k₁, im Bildspeicher (47a) die Werte k₂ und im Bildspeicher (48a) die Werte k₃ für alle Bildpunkte abgespeichert. Die in den Bildspeichern (46a), (47a), (48a) auf akkumulierten Werte werden zwei weiteren Additions-/Multiplikationseinheiten (49a), (50a) zugeführt. Diese Einheiten (49a), (50a) lösen gemeinsam mit zwei Bildspeichern (51a), (52a) und einer look-up-Tabelle (53a), in der die Funktionswerte der Arcustangensfunktion abgespeichert sind, die Gleichung (18). Die Werte der Konstanten (l₁), (l₂), (l₃), (m₁) und (m₃) werden den Einheiten (49a), (50a) von dem Hostrechner zur Verfügung gestellt. Dies kann ohne Verzögerung der Auswertegeschwindigkeit erfolgen, da diese Werte für alle Bildpunkte eines Bildes gleich sind. Der somit ermittelte Wert der Streifenphase wird anschließend an dem zugehörigen Speicherplatz des Bildspeichers (17a) in 3a abgespeichert.After the desired number of phase shifts has been carried out, the image memory ( 46a ) the values k ₁ , in the image memory ( 47a ) the values k ₂ and in the image memory ( 48a ) the values k _{3 are} stored for all pixels. The in the image memories ( 46a ), ( 47a ), ( 48a ) on accumulated values two further addition / multiplication units ( 49a ), ( 50a ) fed. These units ( 49a ), ( 50a ) solve together with two image memories ( 51a ), ( 52a ) and a look-up table ( 53a ), in which the function values of the arctangent function are stored, equation (18). The values of the constants (l ₁ ), (l ₂ ), (l ₃ ), (m ₁ ) and (m ₃ ) are given to the units ( 49a ), ( 50a ) provided by the host computer. This can be done without delaying the evaluation speed, since these values are the same for all pixels of an image. The value of the strip phase thus determined is then stored in the associated memory location of the image memory ( 17a ) in 3a stored.

In den beiden anderen Untergruppen der Funktionsbaugruppe (D) werden in analoger Weise Streifenphasen (δ₂), (δ₃) mit anderer Projektionsrichtung berechnet. Diese Streifenphasen werden dann entsprechend in dem jeweiligen Bildspeicher (17b) bzw. (17c) abgespeichert.In the other two sub-groups of the function module (D), stripe phases (δ ₂ ), (δ ₃ ) with a different projection direction are calculated in an analogous manner. These stripe phases are then correspondingly stored in the respective image memory ( 17b ) respectively. ( 17c ) saved.

Die in den Bildspeichern (17a-c) abgespeicherten Phasenwerte werden danach in einer Recheneinheit (19) weiterverarbeitet, die die Differenz Δ₁ = δ₁ – δ₂ und Δ₂ = δ₁ – δ₃ berechnet. Diese Werte sind zur Berechnung des Objektabstandes z nach den Formeln (11), (12) und (13) erforderlich. Dabei ist zu berücksichtigen, daß Δ3 sich als Differenz aus Δ₂ – Δ₁ ergibt.The in the image memories ( 17a - c ) phase values are then stored in a computing unit ( 19 ) further processed, which calculates the difference Δ ₁ = δ ₁ - δ ₂ and Δ ₂ = δ ₁ - δ ₃ . These values are required to calculate the object distance z according to formulas (11), (12) and (13). It should be noted that Δ3 is the difference between Δ ₂ - Δ ₁ .

Auf die Recheneinheit (19) folgt eine Summationsstufe (S) (siehe 3b), die aus einer Recheneinheit (20) und zwei RAM-Speichern (21a) und (21b) besteht. In diesen Speichern (21a) und (21b) werden die Phasendifferenzen (Δ₁) und (Δ₂) für jeden Bildpunkt auf akkumuliert. Dies kann z.B. in einer Integer-Arithmethik so erfolgen, daß die 8 Bit Eingangswerte der die Phasendifferenzen (Δ₁) und (Δ₂) repräsentierenden Signale in einem Datenbereich von 16 Bit in den Speichern (21a) und (21b) aufsummiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, die aus 255 Messungen gewonnenen Differenzen (Δ₁, Δ₂) durch Summation zu mitteln und damit hinsichtlich der Genauigkeit der Phasenmessung zu verbessern.On the computing unit ( 19 ) is followed by a summation level (S) (see 3b ), which consists of a computing unit ( 20 ) and two RAM memories ( 21a ) and ( 21b ) consists. In these stores ( 21a ) and ( 21b ) the phase differences (Δ ₁ ) and (Δ ₂ ) are accumulated for each pixel. This can be done in an integer arithmetic, for example, in such a way that the 8-bit input values of the signals representing the phase differences (Δ ₁ ) and (Δ ₂ ) in a data area of 16 bits in the memories ( 21a ) and ( 21b ) be added up. In this way it is possible to average the differences (Δ ₁ , Δ ₂ ) obtained from 255 measurements by summation and thus to improve the accuracy of the phase measurement.

Die Ausgänge der Bildspeicher (21a) und (21b) sind zwei darauffolgenden weiteren Recheneinheiten (22a) und (22b) zugeführt, in denen über weitere Tabellen (look-up-tables) die Formeln zur Berechnung des Objektabstandes gemäß Gleichung (14) und (15) bereitgehalten sind. Diese Recheneinheiten (22a) und (22b) berechnen zwei Werte für den Objektabstand (z), die in einer darauffolgenden Rechenstufe (23) nochmals gemittelt werden. In einem darauffolgenden digitalen Signalprozessor (24) werden die Koordinaten (x) und (y) der Bildpunkte gemäß Gleichung (16) und (17) aus den Meßwerten für (z) und den vom Host-Rechner gelieferten Gerätekonstanten (x_k), (y_k) und (a_k) berechnet und einer Ausgabeeinheit (25) zugeführt.The outputs of the image memories ( 21a ) and ( 21b ) are two subsequent additional computing units ( 22a ) and ( 22b ), in which the formulas for calculating the object distance according to equations (14) and (15) are available via further tables (look-up tables). These computing units ( 22a ) and ( 22b ) calculate two values for the object distance (z), which in a subsequent calculation stage ( 23 ) be averaged again. In a subsequent digital signal processor ( 24 ) the coordinates (x) and (y) of the pixels according to equations (16) and (17) from the measured values for (z) and the device constants (x _k ), (y _k ) and (a _k ) provided by the host computer ) and an output unit ( 25 ) fed.

Mit der beschriebenen Methode wird die Höheninformation über das zu vermessende Objekt absolut gewonnen und nicht nur Modulo 2π der Streifenphase.With In the described method, the height information about the Object to be measured absolutely obtained and not just modulo 2π of the stripe phase.

Das vorstehend beschriebene Auswerteverfahren setzt voraus, daß die von der Kamera (K) gelieferten Signale im linearen Bereich der Kamerakennlinie erzeugt werden, daß insbesondere keine Unter- oder Übersteuerung vorkommt. Weiterhin ist es für das beschriebene Verfahren erforderlich, daß ein Phasenwert nur dann weiterverarbeiet wird, wenn die Phasenwerte einer Sequenz bestehend aus je einer Aufnahme für jede Projektionsrichtung in dem jeweiligen Bildpunkt gültig sind. Diese Rechenoperationen werden im Schaltungsteil (C) von 3a durchgeführt. Ob ein Meßwert gültig oder ungültig ist, wird in einem Bit des Look-up-tables LUT in der Recheneinheit (15) abgefragt. Die "und" Verknüpfung über alle Videobilder wird in der Rechenstufe (26) zusammen mit einem rekusiv geschalteten RAM-Baustein (27) erzeugt. In der anschließenden Rechenstufe (28) wird die Anzahl der gültigen Meßwerte an jedem Bildpunkt berechnet und in einem nachfolgenden RAM-Baustein (29) gespeichert. Unter der Anzahl der Meßwerte ist hierbei die Anzahl der Videobilder zu verstehen, über die die Phasendifferenzen im Summationsbaustein (S) von 3b aufsummiert werden. Setzt man eine geeignet gewählte Grenze, die eine Mindestanzahl von gültigen Messungen für jeden Bildpunkt beschreibt, dann werden all die Bildpunkte ausgeblendet, in denen die Anzahl der gültigen Messungen unterhalb dieser Grenze liegt und alle übrigen Bildpunkte werden in die Ergebnisberechnung miteinbezogen. Die hierdurch beschriebene, über die Bildpunkte gelegte Datenmaske ist durch das mit (30) bezeichnete Quadrat in 3a symbolisiert. Mit ihr kann der zur Ausgabe dienende Videomonitor (42) an den entsprechenden Bildpunktstellen dunkelgesteuert werden.The evaluation method described above presupposes that the signals supplied by the camera (K) are generated in the linear region of the camera characteristic curve and that in particular there is no under- or over-control. Furthermore, it is necessary for the described method that a phase value is only processed further if the phase values of a sequence consisting of one image each are valid for each projection direction in the respective pixel. These arithmetic operations are in the circuit part (C) of 3a carried out. Whether a measured value is valid or invalid is determined in a bit of the look-up table LUT in the computing unit ( 15 ) queried. The "and" link across all video images is in the calculation level ( 26 ) together with a recursively switched RAM module ( 27 ) generated. In the subsequent arithmetic stage ( 28 ) the number of valid measured values at each pixel is calculated and in a subsequent RAM module ( 29 ) saved. The number of measured values is to be understood here as the number of video images over which the phase differences in the summation module (S) from 3b be added up. If you set an appropriately selected limit that describes a minimum number of valid measurements for each pixel, then all pixels are hidden in which the number of valid measurements is below this limit and all other pixels are included in the result calculation. The data mask described in this way, placed over the pixels, is characterized by the ( 30 ) designated square in 3a symbolizes. It can be used to output the video monitor ( 42 ) can be darkened at the corresponding pixels.

Der anhand von 3a-c beschriebene in Hardware realisierte Auswerterechner stellt eine Lösung dar, mit der die Signale der Kamera zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verarbeitet werden können. Diese Lösung ist darauf zugeschnitten, daß die Streifenmuster durch die drei Projektoren (P_i), (P₂) und (P₃) im Zeitmultiplexbetrieb nacheinander projiziert und die Bilder dann von der Kamera (K) nacheinander aufgenommen und verarbeitet werden. Es ist jedoch auch möglich, die Streifenmuster beispielsweise in verschiedenen Farben gleichzeitig zu projizieren und mit drei über Farbteiler getrennte Kameras gleichzeitig aufzunehmen. Dann müssen allerdings der Eingangskanal, d.h. der A/D-Wandler (12), die Konvolutionsbausteine (14a) und (14b), die Recheneinheiten (15) und (16), die im Zeitmultiplexbetrieb arbeiten, in entsprechender Anzahl von drei Stück parallel ausgeführt werden. Dies hat zwar höhere Kosten zur Folge, bietet jedoch auch eine größere Bandbreite in der Verarbeitungsfrequenz. Umgekehrt sind die beschriebenen Rechenoperationen auch auf einem passend programmierten, geeignet leistungsfähigen, sequentiell arbeitendem Rechner herkömmlicher Struktur ablauffähig, allerdings dort nur mit erheblich längeren Laufzeiten, so daß eine Echtzeitverarbeitung der Videosignale in diesem Falle nicht zu erzielen ist.The based on 3a-c The evaluation computer described in hardware represents a solution with which the signals of the camera can be processed in order to carry out the method according to the invention. This solution is tailored to the fact that the stripe patterns are projected by the three projectors (P _i ), (P ₂ ) and (P ₃ ) one after the other in time-division multiplexing mode and the images are then recorded and processed one after the other by the camera (K). However, it is also possible to project the stripe patterns simultaneously in different colors, for example, and to record them simultaneously with three cameras separated by color dividers. Then, however, the input channel, i.e. the A / D converter ( 12 ), the building blocks ( 14a ) and ( 14b ), the computing units ( 15 ) and ( 16 ), which work in time-division multiplex operation, are executed in parallel in a corresponding number of three. Although this results in higher costs, it also offers a larger bandwidth in the processing frequency. Conversely, the arithmetic operations described can also be executed on a suitably programmed, suitably powerful, sequentially operating computer of conventional structure, but only there with considerably longer runtimes, so that real-time processing of the video signals cannot be achieved in this case.

In der Funktionsbaugruppe (D) wird zur Berechnung der Streifenphasen aus mehreren phasenverschobenen Mustern eine Ausgleichsrechnung durchgeführt. Die Anzahl der Phasenverschiebungen kann eine beliebige Zahl, die größer als 3 ist, sein. Jedoch müssen mindestens drei Phasenstufen vorliegen, von denen keine gerade ein ganzzahliges Vielfaches der Streifenperiode ist, da ansonsten das Gleichungssystem nicht lösbar ist. Die Wahrscheinlichkeit, daß mindenstens drei solche Phasenstufen vorliegen, wächst mit der Anzahl der Phasenverschiebungen stark an. Darüberhinaus nimmt die statistische Sicherheit der ermittelten Streifenphasen mit der Anzahl der ausgewerteten Phasenstufen zuIn the function module (D) is used to calculate the stripe phases a compensation calculation from several phase-shifted samples carried out. The number of phase shifts can be any number that larger than 3 is to be. However, must There are at least three phase levels, none of which are just one is an integer multiple of the stripe period, otherwise that System of equations cannot be solved is. The probability that at least there are three such phase levels, which increases with the number of phase shifts strong. Furthermore takes the statistical certainty of the streak phases determined with the number of evaluated phase levels

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel hat die Kamera einen Sensor (K) mit 512 × 512 Pixeln. Die Intensitätswerte jedes Kamerapixels werden im Analog/Digitalwandler (12) auf 8 Bit Datenbreite digitalisiert. Dementsprechend ist das Register (35), in dem die aufakkumulierten Differenzen der Phasenlage relativ zur Kamera verschobener Muster gespeichert sind, mindestens als 26 Bit Register ausgelegt. Im Idealfall, wenn alle Meßwerte der Videobilder gültig sind, können dann 2¹⁸ Phasendifferenzen Bemittelt werden. Dieser Mittelwert ist statistisch um einen Faktor 512 genauer als jede einzelne Phasendifferenz. Durch diese Mittelung sind die Werte der Phasenstufen, die ja für die Ausgleichsrechnung nach Gleichung (18) benötigt werden, auf ca. 2π/10.000 und damit hochgenau bekannt.In the exemplary embodiment described, the camera has a sensor (K) with 512 × 512 pixels. The intensity values of each camera pixel are recorded in the analog / digital converter ( 12 ) digitized to 8 bit data width. Accordingly, the register ( 35 ), in which the accumulated differences of the phase position of patterns shifted relative to the camera are stored, designed at least as a 26 bit register. Ideally, if all measured values of the video images are valid, then 2 ¹⁸ phase differences can be averaged. This mean value is statistically more accurate by a factor of 512 than each individual phase difference. Through this averaging, the values of the phase steps, which are required for the compensation calculation according to equation (18), are known to be approximately 2π / 10,000 and thus highly precise.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist für jeden Projektor eine separate Lichtquelle (L₁) bis (L₃) vorgesehen. Es ist jedoch auch möglich, den Projektoren das Licht einer einzigen Lichtquelle über einen entsprechend gesteuerten optischen Richtkoppler zeitlich sequentiell zuzuleiten.In the exemplary embodiment described, a separate light source (L ₁ ) to (L ₃ ) is provided for each projector. However, it is also possible to sequentially feed the light from a single light source to the projectors via a correspondingly controlled optical directional coupler.

Vorstehend ist das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel der Topographiemessung mit projizierten Streifenmustern beschrieben worden. Diese Streifenprojektionsverfahren stellen jedoch nur eine Anwendungsmöglichkeit des Verfahrens dar. Es ist insbesonders auch für die Auswertung interferometrischer Helligkeitsmuster vorteilhaft anwendbar.above is the inventive method using the example of topography measurement with projected stripe patterns have been described. However, these streak projection methods pose just one application of the method. It is particularly also for the evaluation of interferometric Brightness pattern can be used advantageously.

Wie bereits weiter oben angedeutet ist, können bei der Auswertung interferometrische Streifenmuster von den lateralen Ortskoordinaten (x, y) abhängige Phasenstufen (φi) auftreten. Diese lassen sich als Polynome φi (x, y) = ai + bi x + ci y + (Terme höhere Ordnung) (20) höherer Ordnung darstellen, von denen die ai jeweils eine konstante Phasenverschiebung und die Terme bi x und ci y jeweils eine Kippung beispielsweise der Referenzfläche beschreiben. Der Intensitätsmeßwert Ii (x, y) ergibt sich dann durch Einsetzen der Gleichung (20) in die Gleichung (19). Es sind dann sowohl die Konstante ai der Phasenverschiebung als auch die Koeffizienten bi, ci höherer Ordnung zu bestimmen. Dies kann im Host-Rechner geschehen, indem im Hostrechner Polynome der gewünschten Ordnung oder andere ausgleichende Funktionen an die gemessenen Phasenlagen φi (x, y) angefittet werden. Die Koeffizienten werden dabei mit großer statistischer Genauigkeit ermittelt, solange die Anzahl der zu ermittelnden Koeffizienten klein gegenüber der Anzahl der Bildpunkte in einem Videobild ist. Das Anfitten der Polynome an die Differenzwerte wirkt äquivalent zu einer Mittelung der Phasenstufen.As already indicated above, interferometric stripe patterns depending on the lateral location coordinates (x, y) (φi) can occur during the evaluation. These can be called polynomials φi (x, y) = ai + bi x + ci y + (higher order terms) (20) represent higher order, of which the ai each describe a constant phase shift and the terms bi x and ci y each describe a tilt, for example, of the reference surface. The intensity measurement value Ii (x, y) is then obtained by inserting equation (20) into equation (19). Then it is both the constant ai to determine the phase shift as well as the coefficients bi, ci of higher order. This can be done in the host computer by fitting polynomials of the desired order or other compensating functions to the measured phase positions φi (x, y) in the host computer. The coefficients are determined with great statistical accuracy as long as the number of coefficients to be determined is small compared to the number of pixels in a video picture. Fitting the polynomials to the difference values is equivalent to averaging the phase steps.

Nachdem die Koeffizienten der Polynome mit hoher Genauigkeit ermittelt sind, werden anhand dieser Koeffizienten genaue Phasenstufen φi (x, y) sowie sin φi (x, y) und cos φi (x, y) berechnet, die dann vom Hostrechner an die Additions-Multiplikationseinheiten (44a, 45a) in der Funktionsbaugruppe (D) zur Auswertung mit hoher lateraler Auflösung weitergegeben werden. Im Gegensatz zur Streifenprojektion sind hier für jeden Bildpunkt eigene Werte sin φi (x, y) und cos φi (x, y) erforderlich. Das endgültige Meßergebnis ist dann die Summe aus dem Mittelwert der nach Gl. 20 berechneten T i und den Ergebnissen δ der Ausgleichsrechnung nach Gl. 18.After the coefficients of the polynomials have been determined with high accuracy, exact phase steps φi (x, y) and sin φi (x, y) and cos φi (x, y) are calculated on the basis of these coefficients, which are then sent from the host computer to the addition multiplication units ( 44a . 45a ) are passed on in the function module (D) for evaluation with high lateral resolution. In contrast to stripe projection, individual values sin φi (x, y) and cos φi (x, y) are required for each pixel. The final measurement result is then the sum of the mean of the values according to Eq. 20 calculated T i and the results δ of the compensation calculation according to Eq. 18th

Zusätzlich zu den Termen höherer Ordnung können in der Gleichung (20) auch Terme mit räumlicher Periodizität enthalten sein, deren Raumfrequenzen klein gegenüber der des erwarteten Streifenmusters sind. Solche Terme werden beispielsweise durch Luftturbulenzen im Interferometerstrahlengang verursacht. Durch das Anfitten der modifizierten Gleichung (20) an die Meßwerte werden dann auch die Amplituden dieser räumlich periodischen Anteile sehr genau bestimmt und bei der Auswertung mit hoher räumlicher Auflösung nach Gleichung (18) berücksichtigt. Dadurch wird ein großer Anteil der durch Luftturbulenzen verursachten Meßfehler unterdrückt.In addition to the terms higher Can order Equation (20) also contains terms with spatial periodicity be whose spatial frequencies are small compared to that of the expected stripe pattern are. Such terms are caused, for example, by air turbulence in the Interferometer beam path causes. By fitting the modified Equation (20) to the measured values then the amplitudes of these spatially periodic components determined very precisely and when evaluating with high spatial resolution taken into account according to equation (18). This will make a big one Proportion of measurement errors caused by air turbulence suppressed.

Es ist klar, daß für die Auswertung interferometrischer Streifenmuster nur eine Untergruppe (43a-53a) der Funktionsbaugruppe benötigt wird.It is clear that only one subgroup ( 43a - 53a ) of the function module is required.

Claims

Procedure for evaluating the phase position periodically Brightness pattern, with several relative to each other in phase shifted brightness patterns can be recorded with a camera and in a first step the phase positions of the patterns in the individual Pixels corresponding to object points from the individual images can be determined separately, and from this the phase shifts of the Pattern relative to an initial phase is determined by this characterized that based on the phase shifts calculated in the first method step in a second step, the phase positions of the patterns in the individual pixels out of at least three phase shifted relative to each other Patterns can be determined.

A method according to claim 1, characterized in that for Determining the phase shift is the difference in the first step determined phase positions in corresponding pixels is formed.

A method according to claim 2, characterized in that the differences averaged over a large number of pixels become.

Method according to one of claims 1-3, characterized in that that in the first step, the phase positions of the brightness patterns in the individual images for the individual object points by folding the intensity values can be determined with a two-dimensional function.

A method according to claim 1, characterized in that for Determination of the phase shifts in the first process step the phase positions are approximated by mathematical functions.

A method according to claim 1, characterized in that the Phase measurement for at least two brightness patterns that are at an angle to each other be projected onto the object, done separately and then the Difference of the phases of the different brightness patterns formed becomes.

A method according to claim 6, characterized in that the Evaluation of the phase position for the different brightness patterns take place in parallel.

Computer for evaluating the phase position of periodic brightness patterns, wherein a plurality of brightness patterns shifted in phase relative to one another are recorded with a camera, characterized in that a first circuit arrangement ( 14a ), ( 14b ), ( 15 ) is provided, which is the phase position of the Brightness patterns in the object points are calculated separately from the individual camera images that a subtractor ( 33 ) is provided, which forms the difference of the phase values of two brightness patterns shifted in phase relative to one another, and that a second circuit arrangement ( 43a - 53a ) is provided which determines the phase position of the brightness patterns for individual pixels from at least three video images with brightness patterns shifted in phase relative to one another, taking into account the first circuit arrangement ( 14a ), ( 14b ), ( 15 ) and the differentiator ( 33 ) differences between the phase values.

Computer according to claim 8, characterized in that a device ( 16 ), ( 34 ), ( 35 ) is provided, which averages the difference between the phase values of two brightness patterns moved relative to the camera over a large number of object points.

Speaker according to one of claims 8 or 9, characterized in that three image memories ( 13a - c ) are provided, in each of which images of brightness patterns are stored, which are projected onto the object at different angles of inclination, and that the second circuit arrangement ( 43a - 53a ), ( 43b - 53b ), ( 43c - 53c ) is provided in triplicate so that the patterns projected at different angles of inclination are evaluated in parallel.

Computer according to one of claims 8-10, characterized in that a device ( 19 ) is provided to form the difference of the phase values of brightness patterns which are projected at different angles of inclination.

Computer according to one of claims 8-11, characterized in that a mask device (C) is provided, which is the one from the first circuit arrangement ( 14a ), ( 14b ), ( 15 ) compares the calculated phase positions in the object points with a valid value range and only allows the data associated with an object point to be forwarded if the calculated phase position lies within the valid value range.

Device for measuring object surfaces with - a computer for controlling the measurement process, - at least two projectors (P ₁ ), (P ₂ ), (G ₁ ), (G ₂ ) for generating and at least two brightness patterns of the same spatial period on the object , - a video camera (K) for recording the pattern, - a common support (W) for both projectors, which is movable relative to the camera (K), - at least two image memories ( 13a ), ( 13b ) for the intermediate storage of the patterns recorded by the camera, - a first circuit arrangement ( 14a ), ( 14b ), ( 15 ) for the separate determination of the phase position of the patterns in the object points from the individual video images, - at least two further image memories ( 17a ), ( 17b ) for separate intermediate storage of the data from the first device ( 14a ), ( 14b ), ( 15 ) calculated phase values, - a subtractor ( 33 ) to form the difference between that of the first circuit arrangement ( 14a ), ( 14b ), ( 15 ) determined phase positions of two video images, the patterns being shifted in phase relative to the object between the recording of the two video images, - a second circuit arrangement ( 43a - 53a ) to determine the phase position of the patterns in the object points from at least three phase-shifted patterns of the one projector (P ₁ , G ₁ ) using the data from the subtractor ( 33 ) calculated difference of the phase positions of these patterns, - a third circuit arrangement ( 43b - 53b ) to determine the phase position of the patterns in the object points from at least three phase-shifted patterns of the second projector (P ₂ , G ₂ ) using the data from the subtractor ( 33 ) calculated differences of the phase positions of these patterns, - means ( 19 ), ( 24 ) to form the difference between that of the second and third circuit arrangement ( 43a - 53a ), ( 43b - 53b ) calculated phase positions and to calculate the surface topography from these differences and means ( 42 ) to display the calculated surface topography.