DE4304276A1

DE4304276A1 - Forming high resolution image of planar or three=dimensional object - combining sharp image data provided by detector matrix for successive scanning of object via optical imaging system.

Info

Publication number: DE4304276A1
Application number: DE4304276A
Authority: DE
Inventors: Dov Zahavi
Original assignee: GALRAM Tech IND Ltd
Current assignee: GALRAM Tech IND Ltd
Priority date: 1992-02-17
Filing date: 1993-02-12
Publication date: 1993-08-19
Also published as: FR2688642A1; US5592563A; CH686207A5; JPH0682235A; FR2688642B3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung bzw. Einrichtung zum Ausbilden eines Bilds hoher Auflösung von einem dreidimensionalen Gegenstand. Der Gegenstand wird so abgeta stet, daß sein gesamtes Volumen abgedeckt oder erfaßt wird, wo bei die Abtastung mittels linear angeordneter Anordnungen oder Gruppierungen, insbesondere regelmäßiger Anordnungen, von lichtempfindlichen Elementen ausgeführt wird, die ein schmales rechteckiges Segment abdecken oder erfassen, wobei die Bilder von aufeinanderfolgenden Rechtecken so ausgewertet werden, daß das erforderliche Bild hoher Auflösung zur Verfügung gestellt wird. Die Grundelemente der erfindungsgemäßen Einrichtung sind optische Mittel zum Ausbilden eines Bilds des dreidimensionalen Gegenstands, sowie Abtast- und die Detektionsmittel, eine Bild auswahleinrichtung und ein Videoausgang.

Nach dem technischen Hintergrund, welcher der Erfindung zugrun deliegt, ist die Abbildung von dreidimensionalen Gegenständen derart, daß Ergebnisse oder Bilder hoher Auflösung erhalten werden, ziemlich schwierig. Wenn konventionelle optische Mittel oder Einrichtungen verwendet werden, ist das in jedem Augen blick erhaltene Bild nur in der Brennebene eines solchen opti schen Mittels oder einer solchen optischen Einrichtung oder in der Nähe dieser Brennebene scharf eingestellt.

Es ist bekannt, die Höhe eines Objekts, bezogen auf das opti sche Instrument, eine Anzahl von Malen abzutasten, was zu einer Mehrzahl von Bildern führt, worin nur ein Teil von jedem Bild scharf eingestellt ist, und worin dieser Teil in jedem solchen individuellen Bild ein unterschiedliches Niveau des Gegenstands oder der Höhenkontur des Gegenstands darstellt oder abgrenzt.

Eine andere Methode ist die Verwendung eines konfokalen Gabel kopfs, wo die Beleuchtung auch auf der gleichen Höhe, auf wel cher das Bild aufgenommen wird, fokussiert wird, und demgemäß die meiste nicht scharf eingestellte Information verworfen oder "als Ausschuß" ausgeschieden wird. Um das Bild des gesamten Ge genstands zu erhalten, muß die gesamte Höhe abgetastet werden, was die Art der Beleuchtung, welche verwendet werden kann, starken Beschränkungen unterwirft.

Ein noch anderes Verfahren beinhaltet die Verwendung eines Ab tastelektronenmikroskops (SEM, entsprechend dem englischen Aus druck "Scanning Electron Microscope"), was eine beschwerliche Präparation der meisten Objekten und eine teure Ausrüstung er fordert.

Bei Laserprofilmessungen gehen alle nichtdimensionellen Infor mationen, wie Textur, Farbe etc. verloren.

Die vorliegende Erfindung überwindet die Nachteile der vorhan denen Einrichtungen und Verfahren des Abbildens in einem großen Ausmaß.

Das neuartige System gemäß der vorliegenden Erfindung ist dazu geeignet, das Bild von nichtplanaren oder nichtebenen Gegen ständen, welche nicht auf diese Arten beschränkt sind, zu re konstruieren.

Kurz zusammengefaßt betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung bzw. Anordnung zum Ausbilden eines Bilds hoher Auflösung von einem dreidimensionalen Gegenstand, der hier auch als Objekt bezeichnet wird. Der Gegenstand wird so abgetastet, daß definierte abschnittsweise Bilder oder Bilder definierter Abschnitte, welche die gesamte Oberfläche des Gegenstands ab decken oder erfassen, mittels einer linearen Gruppierung, ins besondere einer linearen regelmäßigen Anordnung, von lichtemp findlichen Elementen erhalten werden, wobei die Auswertung von aufeinanderfolgenden Bildern, bei welcher "ein wenig" unter schiedliche Niveaus ausgewertet werden, die Zeitverschiebung zwischen solchen oder diesen Bildern berücksichtigt wird, um ein Bild des gesamten Gegenstands zu rekonstruieren.

Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden eines Bilds hoher Auflösung von einem nichtplana ren oder nichtebenen Gegenstand, umfassend das Ausbilden eines Bilds bzw. Zwischenbilds des Gegenstands mittels eines opti schen Systems; das Abtasten des Bilds bzw. Zwischenbilds oder des Gegenstands in einer schrittweisen Art mittels einer linea ren Detektormatrix so, daß die gesamte Höhe des Bilds bzw. Zwischenbilds oder des Gegenstands abgedeckt oder erfaßt wird, wobei jeder Bild-"Schnitt" oder schmale enge horizontale Bild abschnitt für die abgebildete Höhe scharf eingestellt ist; Zu führen der scharf eingestellten oder scharfen Information zu einer Bildauswahleinrichtung, welche die Videobilder unter Berücksichtigung der Zeitverzögerung zwischen aufeinanderfol genden "Schnitten" oder schmalen horizontalen Bildabschnitten auswertet, die "scharf eingestellte" oder "scharfe" Information auswählt und durch Aufsummieren der mittels der Abtastung erzeugten gesamten Information das gewünschte Bild erzeugt.

Die Erfindung betrifft weiter ein System oder eine Anordnung bzw. Einrichtung zum Ausbilden eines Bilds hoher Auflösung von einem nichtplanaren oder nichtebenen Gegenstand, umfassend op tische Mittel oder eine optische Einrichtung zum Ausbilden ei nes Bilds bzw. Zwischenbilds des gesamten Gegenstands, der ab gebildet werden soll; eine Detektormatrix, die eine Mehrzahl von Zeilen von lichtempfindlichen Detektoren, vorzugsweise CCD- Detektoren (CCD = Ladungsspeicher-Baustein oder ladungsgekop pelter Baustein) umfaßt; eine Einrichtung zum Abtasten des ge samten Volumens des Gegenstands oder Zwischenbilds in einer schrittweisen Art und Weise, wobei jeder Schritt einen Schnitt abdeckt oder erfaßt, der eine gewisse Höhe definiert, so daß die Summe dieser Schnitte die gesamte Oberfläche des Gegen stands oder Zwischenbilds abdeckt oder erfaßt; eine Bildaus wahleinrichtung zum Auswählen der Bilder, die ein Maximum an scharf eingestellter oder scharfer Information enthalten, durch Vergleichen von benachbarten Schnitten; und eine Einrichtung, die demgemäß das gewünschte dreidimensionale Bild erzeugt.

Nachstehend werden die prinzipiellen Merkmale der Erfindung be schrieben und erläutert. Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf ein System veranschaulicht, worin ein verhältnismäßig klei ner Gegenstand dazu benutzt wird, ein vergrößertes Bild dessel ben zu erhalten. Es ist natürlich eine Sache der Auswahl und hängt auch von der Größe des Gegenstandes ab, ob eine solche Vergrößerung erforderlich ist oder nicht. Es möge zunächst ein Volumen definiert werden, in welchem der Gegenstand oder die Gegenstände (oder Teile des Gegenstands oder der Gegenstände) eingeschlossen ist bzw. sind. Das ist das "Beobachtungsvolu men". Dieses Volumen wird durch die optische Einrichtung abge bildet, und auf diese Weise wird ein Bildvolumen erzeugt (in welchem ein Bild des Gegenstands eingeschlossen ist). Eine De tektormatrix wird in einer solchen Art und Weise bewegt, daß jede Reihe linearer Detektoren über das gesamte Bildvolumen streicht, und zwar jeweils auf einem unterschiedlichen Niveau; vorzugsweise so, daß alle Reihen zusammen das gesamte Bildvolu men abtasten, wobei jede Reihe das Bildvolumen auf einem unter schiedlichen Niveau abtastet. Dieses kann dadurch geschehen, daß entweder aktuell die Matrix bewegt wird, oder durch eine Änderung oder Verstellung in der optischen Einrichtung, welche das Bildvolumen über die Detektormatrix bewegt.

Wenn die Detektormatrix aus N Detektorzeilen besteht, werden N Bilder des Bildvolumens mittels dieser N Zeilen erzeugt. Jedes Bild ist auf eine gewisse Höhe des Bildvolumens fokussiert und enthält demgemäß scharf eingestellte oder scharfe Videoinforma tionen des Gegenstands oder der Gegenstände in einem "Höhen schnitt" dieses Volumens. (Die Detektormatrix ist in einer sol chen Art und Weise aufgebaut, daß die N Höhenschnitte das ge samte Bildvolumen enthalten oder umfassen.) Jedes Bild enthält außerdem unscharfe Informationen über die anderen "Schnitte" oder "Höhenschnitte". Wenn die Videoinformationen erzeugt wor den sind, werden sie verarbeitet, und es wird ein kombiniertes Bild erzeugt, das aus Teilen der scharf eingestellten oder scharfen Videoinformationen besteht, die in den N Bildern ent halten sind.

Die Erfindung sei nun unter Bezugnahme auf ein gewisses defi niertes Volumen erläutert, in welchem der abzubildende dreidi mensionale Gegenstand eingeschlossen ist. Es wird eine Matrix von Detektoren vorgesehen, welche ein Bild (das auch als Zwi schenbild bezeichnet werden kann) des Gegenstands, welches durch optische Mittel (z. B. eine Linse oder ein Linsensystem) erzeugt worden ist, überstreichen oder abtasten. Dieses ge schieht entweder durch eine Relativbewegung der Matrix gegen über dem Bild bzw. Zwischenbild, oder durch eine Änderung in den Parametern der Optik oder durch Bewegung des Gegenstands. Wenn eine horizontale lineare Gruppierung, insbesondere eine horizontale lineare regelmäßige Anordnung, von Sensoren (wie beispielsweise von lichtempfindlichen Elementen) dazu verwendet wird, den Gegenstand so abzutasten, daß jede Abtastung ein Bild eines engen rechteckigen horizontalen Abschnitts der Oberfläche des Gegenstands auf jenem gegebenen Niveau liefert, und wenn solche Abtastungen so wiederholt werden, daß aufeinanderfolgend die gesamte Oberfläche abgedeckt oder abgetastet wird, ist es durch geeignete Mittel, wie insbesondere eine Bildauswahlein richtung, und durch Zurückhalten von nur jenen Teilen von jedem Bild, welche scharf eingestellt oder scharf sind, möglich, ein Bild hoher Auflösung zu erhalten. Die Gruppierung oder Gruppie rungen ist bzw. sind vorzugsweise unter einem gewissen Winkel bezüglich der Horizontalebene, insbesondere unter einem Winkel, der größer als 0 und kleiner als 90° ist, ausgerichtet. Es ist möglich, eine einzige derartige Gruppierung zu verwenden, und es ist auch möglich, eine Mehrzahl von horizontalen linearen Gruppierungen zu benutzen, um solche Abtastungen zu bewirken. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und Patentansprüche wird nachfolgend jedes derartige schmale Rechteck als "Abtast zeile" bezeichnet. Wenn die gesamte Matrix aus N Detektorzeilen besteht, werden N Bilder von dem Bildvolumen erzeugt. Jedes der Bilder ist auf einem gewissen Niveau (Höhe) des Bildvolumens fokussiert und enthält demgemäß scharf eingestellte oder schar fe Informationen von jenem Teil des Gegenstands, der sich in jenem "Niveauschnitt" des Volumens befindet. Jedes der Bilder enthält außerdem unscharfe Informationen über andere "Schnitte" und auch unscharfe Informationen über irgendeinen Teil des "Schnitts" auf dem gegebenen Niveau, welcher nicht scharf ein gestellt ist. Bilder von aufeinanderfolgenden "Schnitten" wer den verglichen, wobei die Zeitverschiebung von aufeinanderfol genden Bildern berichtigt wird, wenn eine einzige lineare Grup pierung für wiederholte Abtastungen verwendet wird, und diese Bilder werden so ausgewertet und verarbeitet, daß daraus ein kombiniertes Bild des gesamten Gegenstands resultiert.

Die vorstehenden sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfin dung seien nachstehend unter Bezugnahme auf die schematischen Fig. 1 bis 7 der Zeichnung anhand von besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der An ordnung bzw. Einrichtung nach der Erfindung, die hier auch als erfindungsgemäßes System bezeichnet wird, näher beschrieben und erläutert, wobei die Figuren der Zeichnung aus Darstellungs gründen nicht maßstabsgerecht sind; es zeigen:

Fig. 1 eine Blockdarstellung einer Ausführungsform eines Sy stems gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht und eine Vorderansicht, welche die Prinzipien der Betriebsweise der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems veranschaulichen;

Fig. 3 eine Blockdarstellung, die eine Ausführungsform einer Auswahleinrichtung oder -einheit nach der Erfindung veranschaulicht;

Fig. 4 eine Blockdarstellung einer Entscheidungseinheit nach der Erfindung;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht, welche die Hauptmerk male einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems veranschaulicht;

Fig. 6 eine Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, mittels deren die Betriebsweise dieser Ausführungs form oder eine bevorzugte Verfahrensweise der Erfin dung unter Bezugnahme auf einen definierten Gegen stand und ein Abbildungssystem erläutert wird; und

Fig. 7 ein Diagramm von Signalen in Abhängigkeit von der Zeit.

Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, wonach ein nichtpla narer oder nichtebener Gegenstand 11 in einem Beobachtungsvolu men 12 eingeschlossen ist. Über dem Gegenstand 11 befindet sich ein optisches Abbildungssystem, das im vorliegenden Falle eine Vergrößerungseinrichtung 13 ist, welches, wie in Fig. 5 in nä heren Einzelheiten veranschaulicht ist, ein Bild (das auch als Zwischenbild bezeichnet werden kann) des Gegenstands oberhalb der Vergrößerungseinrichtung 13 ausbildet. Dieses Bild oder Zwischenbild wird mittels einer Abtasteinrichtung 14, welche eine Mehrzahl von linearen Gruppierungen von Photodetektoren umfaßt (allgemein CCD-Elemente), die in Fig. 5 mit 24 bezeich net sind, Zeile für Zeile abgetastet. Die Ausgangsgröße oder das Ausgangssignal der Abtasteinrichtung 14 wird einer Bildaus wahleinrichtung 18 zugeführt, und von dieser erhält man einen Videoausgang 19, oder das Ausgangssignal der Bildauswahlein richtung 18 wird einer Videoausgangseinrichtung 19 zugeführt.

Einzelheiten des Abtastvorgangs sind insbesondere in Fig. 5 dargestellt, wonach der hier mit 21 bezeichnete Gegenstand in dem Volumen 22 mittels einer linearen Gruppierung 23 aus einer Mehrzahl von lichtempfindlichen Elementen 24 abgetastet wird, wobei die Abtastung derart ist, daß Niveaus L1 bis L5 durch die Gruppierungen 23(1) bis 23(5) abgetastet werden.

Der Gegenstand befindet sich in Bezug auf das optische Element 25 (z. B. eine Linse oder eine Linsengruppe), so, daß zunächst ein Bild 27 (Zwischenbild) des Gegenstands 21 ausgebildet wird, und dieses Bild bzw. Zwischenbild wird eine Mehrzahl von Malen abgetastet, wobei jede Abtastung ein schmales rechteckiges Ele ment auf unterschiedlichen Niveaus L1 bis L5 abdeckt oder er faßt, wie in Fig. 5 perspektivisch dargestellt und in Fig. 2 schematisiert ist. Aktuell wird natürlich eine beträchtlich größere Anzahl von Unterbildern oder "Horizontalschnittbildern" erzeugt. Jede lineare Gruppierung enthält eine große Anzahl von lichtempfindlichen Elementen 24, so daß ein genaues Bild jener Unterelemente oder "Horizontalschnittbilder" auf dem jeweils gegebenen Niveau, die scharf eingestellt sind, erzeugt wird. Das Bild eines solchen "Schnitts" wird von der Bildauswahlein richtung 18 unter Berücksichtigung der Tatsache, daß eine ge wisse Zeitverschiebung zwischen benachbarten Niveaus vorhanden ist, wenn eine einzige Gruppierung dazu benutzt wird, die ge samte Oberfläche abzutasten, verglichen. Die Elemente 24 sind unter einem gewissen Winkel angeordnet, um die Oberfläche bes ser abzudecken oder zu erfassen, wobei die Sichtrichtung in Fig. 2 bzw. Fig. 5 durch den Pfeil 26 angegeben ist. Wie aus der Ausführungsform der Fig. 5 ersichtlich ist, ist nämlich der Winkel der Ebene der Gruppierungen der Elemente 24 zur Sicht richtung 26 ein spitzer Winkel, der größer als 0° und kleiner als 90° ist. Die Abtastung wird so ausgeführt, daß alle Facet ten des Gegenstands 21 abgedeckt oder erfaßt werden. Durch das optische Element, welches eine gewünschte Vergrößerung des Ge genstands liefern kann und dessen numerische Apertur entspre chend den Dimensionen des Gegenstands 21 und entsprechend der erforderlichen Auflösung gewählt wird, wird eine hohe Auflösung erzielt.

Dieses Bild bzw. Zwischenbild über dem Linsensystem wird durch die Gruppierung von elektro- und/oder lichtempfindlichen Ele menten abgetastet. Vorteilhafterweise umfaßt eine solche Grup pierung eine große Anzahl von CCD-Detektoren, und es wird ent weder eine einzige solche lineare Gruppierung benutzt, indem sie bezüglich des Gegenstandes von einem Niveau zum nächsten bewegt wird, oder es werden gleichzeitig oder aufeinanderfol gend eine Anzahl solcher Gruppierungen verwendet. Durch jede Abtastung eines schmalen rechteckigen Schnitts ("Zeile") werden Videoinformationen erzeugt, und bei jeder Zeile wird das Bild zeitlich verschoben, und zwar eine Zeile nach der anderen. Die aus den unterschiedlichen Abtastungen resultierenden Bilder un terscheiden sich voneinander darin, daß jede solche Zeile nur einen Teil des Bilds (kontinuierlich oder nicht, entsprechend der Form des Objekts) enthält, der scharf eingestellt ist bzw. der auf dem gegebenen Niveau scharf eingestellt ist; so daß dann, wenn die Abtastung der gesamten Oberfläche vollendet wor den ist, eine Anzahl von Videobildern erhalten worden ist, von denen jedes teilweise scharf eingestellt oder scharf ist, wäh rend in den anderen Bildern die gleichen Bereiche unscharf sind oder sein können.

Die auf diese Weise erhaltenen Bilder werden einer Bildauswahl einrichtung 18 zugeführt, welche dazu dient, die Bildzeilen, wie sie als Videoinformationen von jeder Matrixzeile empfangen werden, zu vergleichen (unter Berücksichtigung der Zeitver schiebung zwischen den Abtastungen von benachbarten Zeilen), und welche Bildauswahleinrichtung Teile des Bilds auswählt, von denen jeder scharf eingestellt oder scharf ist, während sie an dere Teile des Videobilds für die gleiche Gegenstandszeile höchster Videofrequenz verwirft oder als Ausschuß ausscheidet, und sie wählt außerdem das Bild, das einem Intensitätsextrem, entweder schwarz oder weiß, am nächsten ist. Die Informationen werden angemessen gewichtet, wobei die Teile von jeder Matrix zeile, die für die gegebene Gegenstandszeile (Niveau) scharf eingestellt oder scharf sind, angegeben werden.

Matrixaufbau

Der Matrixaufbau wird bestimmt, indem die folgenden Erwägungen und/oder Tatsachen berücksichtigt werden:

- Die beabsichtigen Dimensionen des Gegenstands in der X,Y- Ebene.
- Die Variationen der Objektdimensionen längs der Z-Achse in dem beobachteten Bereich.
- Diese Beschränkungen oder Zwänge definieren das "Beobach tungsvolumen", welches durch die Vergrößerungseinrichtung und die Abtasteinrichtung in ein virtuelles oder tatsächliches Beobachtungsvolumen übersetzt oder transformiert wird, dessen Dimensionen mit Bezug auf das ursprüngliche Objektvolumen mehrfach vergrößert sein können. Dieses virtuelle oder tat sächliche Beobachtungsvolumen wird von der Detektormatrix ab getastet.

Die erforderliche winkelmäßige Auflösung oder Winkelauflösung bestimmt die numerische Apertur der Vergrößerungseinrichtung (und auch die Wellenlänge). Dieses bestimmt wiederum die Brenn weite oder Fokaldistanz ZZd für die erforderliche Auflösung.

N = Zo/Zd

worin Zo die Vertikaldimension des Beobachtungsvolumens ist, während Zd die Feldtiefe ist.

Die Länge der Detektorzeile wird durch die augenblickliche Breite des zu beobachtenden Bereichs und durch die Abtastrate bestimmt. Der horizontale Abstand zwischen den Zeilen sollte so klein wie möglich sein, was durch die physischen Dimensionen der Detektorzeile bestimmt wird. Diese Entfernung bestimmt die Verzögerung zwischen der Abtastung des gleichen Punkts auf dem Gegenstand durch zwei benachbarte Zeilen.

Eine Entscheidung darüber, auf welcher von diesen beiden Zeilen besser scharf gestellt ist (oder auf welchen entsprechenden Teilen dieser Zeilen), kann nicht sofort getroffen werden, und demgemäß müssen die von jeder Zeile (ausgenommen die letzte) erzeugten Videoinformationen gespeichert werden, bis die Aus gangsgrößen oder -signale der nächsten Zeile untersucht worden sind und eine Entscheidung getroffen worden ist.

Auswahleinrichtung

Die Auswahleinrichtung kann durch Hardware, Software oder eine Kombination von beiden ausgeführt sein, und demgemäß wird hier nur ihr Algorithmus beschrieben.

Die Fig. 3 zeigt eine Blockdarstellung einer Auswahleinrich tung. Wenn Daten (in Digital- oder Videoform) von den Detektor zeilen ankommen, wird jeder Teil dieser Daten mit den Daten verglichen, welche von der vorhergehenden Zeile erzeugt worden sind, wenn diese die gleiche Stelle auf dem Gegenstand abgeta stet hat. Die Daten von der vorhergehenden Zeile werden um ei nen Betrag von "Verzögerung 1 + Verzögerung 2" verzögert, wel cher gleich der Gesamtverzögerung zwischen zwei Zeilen ist. Die Entscheidungseinheit vergleicht jeden Teil dieser beiden Zeilen und befiehlt dem Auswahleinrichtungsschalter, die Ausgangsgrö ßen der besser fokussierten oder besser scharf gestellten Zeile auszuwählen. Die Datenströme, die an dem Auswahleinrichtungs schalter ankommen, werden um einen Betrag von Verzögerung 1 verzögert, welcher gleich der Verzögerung der Entscheidungsein heit ist. Die Ausgangsgrößen des Auswahleinrichtungsschalters werden um einen Betrag von Verzögerung 2 verzögert, bevor sie zu der nächsten Entscheidungseinheit und dem nächsten Auswahl einrichtungsschalter geschickt werden. Die Ausgangsgröße des Auswahleinrichtungsschalters (N-1) der Aufstellung ist die Aus gangsgröße der Auswahleinrichtung, wie die Fig. 3 zeigt, denn danach ist der Zeile N der (N-1)te Auswahleinrichtungsschalter zugeordnet, weil der Zeile 1 kein solcher Auswahleinrichtungs schalter unmittelbar zugeordnet ist, wie aus dem oberen Teil der Fig. 3 hervorgeht.

Fig. 4 veranschaulicht die Betriebsweise der Entscheidungsein heit. Die beiden Signale kommen auf den Eingangsleitungen A und B in die Entscheidungseinheit. Jede Zeile wird in der folgenden Weise verarbeitet (um die Hochfrequenzinhalte und die Intensi tät zu messen):

- Eine Konstante des Werts -C1 wird hinzugefügt, und der abso lute Werte (ABS) des Signals wird genommen (die Konstante -C1 eliminiert die Gleichstromkomponente des Videosignals).
- Das Signal wird durch ein Hochpaßfilter (HPF) hindurchge schickt, und der Absolutwert wird genommen.
- Diese Werte werden mit Konstanten multipliziert, und zwar wird der eine Wert mit der Konstanten C2 multipliziert, wäh rend der andere Wert mit der Konstanten C3 multipliziert wird.
- Die Ausgangsgrößen dieser Multiplikationen werden summiert.
- Die Ergebnisse der beiden verarbeiteten Signale werden ver glichen, und der höhere Wert wird ausgewählt.

Wenn beide Zeilen das gleiche Resultat ergeben, bleibt der Aus wahleinrichtungsschalter in seiner vorherigen Position. Das kann aus mehreren Gründen geschehen:

- Der Gegenstandsbereich ist gleichförmig.
- Beide Zeilen sind unscharf.

In beiden Fällen ist es unwichtig, welche der Zeilen ausgewählt wird. Die Rate der Positionsänderung für den Auswahleinrich tungsschalter wird durch die relativen Gewichte C2 und C3 und durch die Bandbreite des Hochpaßfilters (HPF) bestimmt.

Ein entsprechender Algorithmus kann implementiert werden, wo die Zeilenauswahl nicht nur basierend auf der eindimensionalen Fo kus- oder Schärfequalität entlang der Zeile, gemessen durch die Netzwerke der Entscheidungseinheit, vorgenommen wird, sondern wo statt dessen die Zeilenauswahl basierend auf einer zweidimen sionalen Fokus- oder Schärfequalität vorgenommen wird, wo die entsprechenden Pixel oder Bildelemente in jeder Zeile auch, ba sierend auf den vorherigen Positionen, mittels entsprechender Netzwerke gewichtet werden, und die höchstresultierende Zeile für diese Nachbarschaft ausgewählt wird bzw. die Zeile mit dem höchsten Resultat für diese Nachbarschaft ausgewählt wird.

Beispiel

Es sei ein Beobachtungsvolumen von (Xo, Yo, Zo)-0,5×0,5× 0,5 mm genommen und davon ausgegangen, daß Gegenstände, welche innerhalb dieses Volumens eingeschlossen sind, mit einer Auflö sung von 4 µm beobachtet werden sollen.

A. Bestimmung von N - der Anzahl von Zeilen

Diese Auflösung gebietet eine numerische Apertur (N.A.) von wenigstens 0,2. Die Feldtiefe (Zd) ist unter diesen Bedingungen etwa 10 µm. Das bedeutet, daß zum Abdecken oder Erfassen der gesamten Vertikaldimension (Zo) des Be obachtungsvolumens die folgende Zeilenzahl zu verwenden ist:

N = Zo/Zd = 500/10 = 50
N = 50 Zeilen.

B. Bestimmung der Vergrößerung

Die typischen Dimensionen eines einzelnen Bildelements (Pixels) in verfügbaren CCD-Gruppierungen oder -Anordnun gen sind etwa 10×10 µm.

Das bedeutet, daß es für die gewünschte Auflösung notwen dig ist, den Gegenstand um das nachfolgende Vergrößerungs verhältnis M zu vergrößern.

M = 1,5×10/4 = 4
(Ein Auflösungselement ist 1,5 Pixel).

C. Matrixaufbau

Die Dimensionen des Bildvolumens sind

Zo = 4²×0,5 = 8 mm
Xo = 4×0,5 = 2 mm
Yo = 4×0,5 = 2 mm.

Der vertikale Abstand zwischen zwei benachbarten Zeilen ist

4²×10 = 160 µm.

Die Länge von jeder Zeile ist, wie erwähnt, 2 mm, und ge teilt durch die Pixeldimensionen wird n, die Anzahl von Bildelementen oder Pixels in jeder Zeile, erhalten, näm lich

n = 2000/10 = 200.

Es soll demgemäß eine Detektormatrix von N = 50 Zeilen (jede bestehend aus 200 Pixel), beabstandet um 320 µm, aufgebaut werden.

Diese Matrix wird um 30° gekippt (bezüglich der X,Y-Ebe ne), und demgemäß wird ein vertikaler Abstand von 160 µm erreicht.

D. Abtastrate

Wenn die Taktfrequenz des CCD die Größe von 20 MHz hat, werden die gesamten 200 Pixel in jeder Zeile in einer Zeit von to = 10 µsec getaktet oder abgetastet.

to = 1/20 (MHz)×200 = 10 µsec.

Das bedeutet, daß die Detektormatrix jede 10 µsec um ein Pixel längs des Bilds bewegt werden kann.

Das volle Abtastbild der Matrix wird durch die Länge Xo des Bildvolumens und durch die Projektion der Detektorma trix auf die XY-Ebene bestimmt.

Im vorliegenden Falle ergibt das

2 + (320×50×cos 30°) = 15,9 mm.

Die Anzahl von Schritten ist

Abtastbereich/Pixeldimension = 15900/10 = 1590.

Und die Abtastperiode beträgt

1590×100 = 15900 µsec
(Eine Abtastfrequenz von angenähert 63 Hz).

E. Verarbeitung

Die Ausgangsgröße von jeder Zeile ist ein kontinuierliches Videosignal in dem Bereich von 0 bis 1 Volt. Das Spektrum von diesem Signal ist (bestimmt durch die räumliche Textur und die Form des Objekts und beschränkt durch die Auflö sung des CCD) beschränkt durch die Taktfrequenz des CCD.

In der Entscheidungseinheit seien Hochpaßfilter mit einer Grenzfrequenz von 20 MHz und einem Verlust von 6 dB pro Oktave unter dieser Frequenz verwendet. Die Verzögerung der Entscheidungseinheiten ist 0,4 µsec. Die Verzögerungen "Verzögerung 1" und "Verzögerung 2 " werden derart, daß:

"Verzögerung 1" = "Auswahleinrichtungsverzögerung"
= 0,4 µsec

und

"Verzögerung 1" + "Verzögerung 2" = "Zeilenzeit"
= 10 µsec.

Demgemäß ergibt sich

"Verzögerung 2" = 9,6 µsec.

Es sei folgende Wahl getroffen: C1 = C2 = C3 = 0,5.

F. Punktzielabbildung

Es sei nun ein Ziel betrachtet, welches ein schwarzer Punkt von minimalen Dimensionen ist (z. B. eine schwarze Kugel von 4 µm Durchmesser), der in der Mitte des Beobach tungsvolumens gegen einen weißen Hintergrund aufgehängt ist.

In Fig. 7 sieht man die verschiedenen Stadien der Signale, welche aus den Zeilen 24 und 25 kommen und durch die Aus wahleinrichtung, die anhand der Fig. 3 und 4 beschrie ben ist, verarbeitet und ausgewählt werden (mit den Para metern, die in diesem Beispiel definiert worden sind).

G. Videozeilen

Die Ausgangsgrößen der CCD-Zeilen 24 und 25 sind für die Zeit, beginnend bei 7950 nach dem Start der Abtastung, ge zeigt (da vorliegend das Interesse auf einen einzigen Punkt in der Mitte des Beobachtungsvolumens gerichtet ist, werden die beiden Zeilen in der Mitte und unmittelbar über der Mitte, nämlich die Zeilen 24 und 25, betrachtet, und es wird jeweils die Mitte der Abtastzeit betrachtet). Es ist ersichtlich, daß die Zeile 23 das Ziel bei 7935 µsec "sieht", aber daß das Ziel verwischt und schwach ist. Die Zeile 25 dagegen "sieht" ein starkes und gut definiertes Ziel bei 7965 µsec.

H. Eingangsgrößen für die Entscheidungseinheit

Die Signale an den Eingängen der Entscheidungseinheit 24/25 sind:

Am Eingang A - das Signal der Zeile 25
Am Eingang B - das Signal der Zeile 24, aber um 10 µsec verzögert.

I. Signale in den Komparatoreingängen

Beide Signale, welche in die Entscheidungseinheiten einge geben werden, werden entsprechend bzw. gleichartig verar beitet.

Es erfolgt eine Addition von -C1, es wird der Absolutwert genommen, und er wird mit C2 multipliziert, wobei durch dieses gerade eine Gleichstromkomponente zu dem Signal von einem Wert von 0,25 V hinzugefügt wird. (Die Wirkung auf das Bild bei der Zeit 7965 ist klein).

Es erfolgt eine Hochpaßfilterung, es wird ein Absolutwert genommen, und dieser wird mit C3 multipliziert, wodurch das Signal, welches in den Eingang 3 kommt (von der Zeile 24) unterdrückt wird, und es verbleibt ein starkes Signal (das von der Zeile 25 kommt) und unbeeinträchtigt ist). Beide Signale an diesen Eingängen sind leicht verzögert.

J. Ausgangsgröße der Entscheidungseinheit

Wenn die Signale an den Komparatoreingängen ausgeprägt un terschiedlich werden (im vorliegenden Falle gerade nach 7965 µsec), ändert der Komparator seinen Zustand, und die Zeile 25 wird ausgewählt.

K. Eingangsgrößen zum Auswahleinrichtungsschalter

Die Videosignale, welche an dem Auswahleinrichtungsschal ter 24/25 ankommen, sind die gleichen Signale, die zu der Entscheidungseinheit 24/25 gehen, lediglich verzögert um Verzögerung 1, welche gleich der Entscheidungseinheitsver zögerung ist.

Zu der Zeit, zu welcher die Punktzielsignale an diesen Eingängen ankommen, hat der Komparator bereits den Zustand geändert, und das Signal von der Leitung 25 wird ausge wählt und zu der nächsten Entscheidungseinheit durchgelas sen.

L. Die nächste Entscheidungseinheit

Der gleiche Prozeß wird zwischen der Zeile 25 und 26 wie derholt, nur die Zeile 26 verläuft unter dem Punktziel, und das Signal ist wieder verwischt und schwach, und daher ist das Signal, welches aus dem Auswahleinrichtungsschal ter 25/26 herauskommt, das Signal der Zeile 25 (wieder um 10 µsec verzögert).

Mit der Erfindung werden ein Verfahren und eine Einrichtung zum Ausbilden eines Bilds hoher Auflösung von einem dreidimensiona len Gegenstand zur Verfügung gestellt. Die Oberfläche des Ge genstands wird schrittweise mittels einer linearen Detektorma trix so abgetastet, daß die gesamte Höhe des Gegenstands abge deckt oder erfaßt wird. Die Anordnung ist derart, daß jeder ho rizontale "Schnitt" für die spezielle Höhe des "Schnitts" scharf eingestellt ist, und die Information wird einer Bildaus wahleinrichtung zugeführt, welche die Videobilder auswertet, wobei sie die "scharf eingestellten" Informationen auswählt und diese für den Aufbau des gewünschten Bilds verwendet. Das er findungsgemäße System basiert vorzugsweise auf einer Mehrzahl von linearen CCD-Detektoranordnungen, welche zum Abtasten der Oberfläche des Gegenstands verwendet werden, sowie auf einer Bildauswahleinrichtung und einer Einrichtung zum demgemäßen Aufbauen des gewünschten Bilds.

Claims

1. Verfahren zum Ausbilden eines Bilds hoher Auflösung von einem nichtplanaren oder nichtebenen Gegenstand, umfassend das Ausbilden eines Bilds (27) von dem Gegenstand (11, 21) durch ein optisches System (13, 25); das Abtasten des Gegen stands in einer schrittweisen Art und Weise mittels einer Line ardetektormatrix (23) so, daß die gesamte Höhe des Bilds (27) abgedeckt oder erfaßt ist, wobei jeder Bild-"Schnitt" für die abgebildete Höhe scharf eingestellt ist; das Zuführen der scharf eingestellten Informationen zu einer Bildauswahleinrich tung (18), welche die Videobilder unter Berücksichtigung der Zeitverzögerung zwischen aufeinanderfolgenden "Schnitten" aus wertet; das Auswählen der "scharf eingestellten" Informationen; und das Erzeugen des gewünschten Bilds durch Aufsummieren der durch die Abtastung erzeugten gesamten Informationen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das optische System (13, 25) den ur sprünglichen nichtplanaren oder nichtebenen Gegenstand (11, 21) vergrößert, indem es ein vergrößertes Bild (27) desselben aus bildet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Entscheidungseinheit der Auswahleinrichtung (18) die Informationen von zwei benachbarten Zeilen vergleicht und die besser scharf eingestellte Zeile aus wählt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Entscheidungseinheit die Ausgangsgrößen von zwei Zeilen A und B bekommt, die Gleich stromkomponente des Videosignals, welches durch ein Hochpaß filter (HPF) hindurchgeschickt wird, eliminiert, den Absolut wert (ABS) bestimmt und die Ausgangsgrößen verarbeitet, indem sie den höheren Wert auswählt.

5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die Detektormatrix (23) so bewegt wird, daß jede lineare Detektorzeile (23(1) bis 23(5)) das gesamte Bildvolumen auf unterschiedlichen Niveaus abtastet, oder daß die optische Abbildungseinrichtung (13, 25) so verändert oder verstellt wird, daß sie das gesamte Bildvolu men über die Detektormatrix (23), vorzugsweise quer über die Detektormatrix (23), bewegt.

6. Verfahren zum Ausbilden eines Bilds hoher Auflösung, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Abwand lung des Verfahrens nach Anspruch 1 derart ist, daß die Formung des Ausbildens des Bilds hoher Auflösung von dem Gegenstand (11, 21) auf einer Zeilenauswahl, basierend auf einer zweidi mensionalen Fokus- oder Schärfequalität, basiert.

7. Anordnung zum Ausbilden eines Bilds hoher Auflösung von einem nichtplanaren oder nichtebenen Gegenstand, umfassend optische Mittel (13, 25) oder eine optische Einrichtung zum Ausbilden eines Bilds (27) des gesamten Gegenstands (11, 21), der abgebildet werden soll; eine Detektormatrix (23), die eine Mehrzahl von Zeilen (23(1) bis 23(5)) von lichtempfindlichen Elementen (24), vorzugsweise CCD-Detektoren, umfaßt; eine Ein richtung zum Abtasten des gesamten Volumens des Gegenstands in einer schrittweisen Art und Weise, wobei jeder Schritt einen Schnitt abdeckt oder erfaßt, der eine gewisse Höhe definiert, so daß die Summe derselben die gesamte Oberfläche des Gegen stands abdeckt oder erfaßt; eine Bildauswahleinrichtung (18) zum Auswählen der Bilder, die ein Maximum an scharfgestellten Informationen enthalten, durch Vergleichen von benachbarten Schnitten; und Mittel oder eine Einrichtung für das demgemäße Erzeugen des gewünschten dreidimensionalen Bilds.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die optischen Abbildungsmittel (13, 25) oder die optische Abbildungseinrichtung zu einem vergrößerten Bild (27) des Gegenstands (11, 21) führt.

9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge kennzeichnet, daß Mittel oder eine Einrichtung zum Verschieben des Bilds von jeder Zeile (23(1) bis 23(5)) in der Zeit vorgesehen sind bzw. ist, derart, daß der aktuelle Au genblick der Abtastung berücksichtigt wird.

10. Anordnung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Anordnung folgendes umfaßt: eine Entscheidungseinheit, die mit Eingängen, vorzugsweise Ein gangsleitungen oder -zeilen, für zwei Signale versehen ist; Mittel oder eine Einrichtung zum Verarbeiten jeder Eingangs größe oder Zeile (Signal), mit Mitteln oder einer Einrichtung zum Addieren einer gewissen Konstanten (-C1), Mitteln oder ei ner Einrichtung zum Bestimmen des Absolutwerts (ABS) von dieser Summe, Mitteln oder einer Einrichtung zum Multiplizieren der selben mit einer Konstanten (Gewicht C2), Mitteln oder einer Einrichtung zum Hindurchschicken jedes Signals durch ein Hoch paßfilter (HPF), Mitteln oder einer Einrichtung zum Bestimmen des Absolutwerts (ABS) der Filterausgangsgröße und zum Multi plizieren dieses Werts mit einer anderen Konstanten (Gewicht C3), Mitteln oder einer Einrichtung zum Summieren der Ergebnis se der Multiplikationen, Mitteln oder einer Einrichtung zum Vergleichen der Prozeßsignale oder verarbeiteten Signale, und Mitteln oder einer Einrichtung zum Auswählen desjenigen mit dem höheren Wert.