DE4317744C1 - Method for microscopically measuring the surface structure of an object - Google Patents

Method for microscopically measuring the surface structure of an object

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DE4317744C1 DE19934317744 DE4317744A DE4317744C1 DE 4317744 C1 DE4317744 C1 DE 4317744C1 DE 19934317744 DE19934317744 DE 19934317744 DE 4317744 A DE4317744 A DE 4317744A DE 4317744 C1 DE4317744 C1 DE 4317744C1
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    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates

Abstract

This method is used for microscopically measuring the surface structure of an object with the aid of at least one lens. In this case, surface points Pi of the object which are of interest are sharply and successively imaged, while keeping the image distance constant, from two different lines R, R' of sight, and the respective viewpoint coordinates xi, yi and x'i, y'i, respectively, are measured. The object space coordinates ui, vi, wi of the surface points Pi are then determined from the associated image point coordinates by using a transformation matrix T. The latter can be determined with the aid of three reference points of known position in the object space and of their image point coordinates obtained from the same two lines R, R' of sight. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum mikroskopischen Vermes­ sen der Oberflächenstruktur eines Objektes.The invention relates to a method for microscopic measurement the surface structure of an object.

Die in der Photogrammetrie üblichen Vermessungsmethoden zum Zwecke der Rekonstruktion dreidimensionaler Objekt- bzw. Geländeoberflächen, die sich auf die Zentralperspektive stützen, können bei der Vermessung mi­ kroskopisch kleiner Oberflächenstrukturen nicht angewendet werden. Dies liegt daran, daß mit den in der Mikroskopie zur Anwendung kommenden op­ tischen Systemen mit großer Apertur und entsprechend verringerter Schär­ fentiefe Perspektivaufnahmen nicht möglich sind.The measurement methods customary in photogrammetry for the purpose of Reconstruction of three-dimensional object or terrain surfaces that relying on the central perspective can mi microscopic surface structures are not used. This is due to the fact that with the op systems with a large aperture and correspondingly reduced warping Deep depth perspective shots are not possible.

Zwar ist aus K.B. Atkinson (Ed.): Developments in Close Range Photogram­ metry-1, Applied Science Publishers Ltd., London, 1980, Kapitel 1 und 2, bereits ein Verfahren zum mikroskopischen Vermessen der Oberflächen­ struktur eines Objektes bekannt, jedoch ist dort nicht entnehmbar, meh­ rere interessierende Oberflächenpunkte unter Konstanthaltung des Bildab­ standes sukzessive scharf abzubilden. Vor allem ist dort der Zusammen­ hang zwischen Bildpunkt- und Objektraumkoordinaten nicht linear, und die für die nachfolgend beschriebene Erfindung wesentliche Ermittlung der Objekt­ raumkoordinaten aus den Bildkoordinaten im Sinne einer Parallelprojektion unter Einbe­ ziehung des Abbildungsmaßstabes ist dort ebenfalls nicht angesprochen.Although K.B. Atkinson (Ed.): Developments in Close Range Photogram metry-1, Applied Science Publishers Ltd., London, 1980, chapters 1 and 2, already a method for microscopic measurement of the surfaces structure of an object is known, but cannot be removed there, meh More interesting surface points while keeping the image constant successive sharp image. Above all, there is the togetherness slope between pixel and object space coordinates is not linear, and the essential determination of the object for the invention described below spatial coordinates the image coordinates in the sense of a parallel projection with incl Drawing scale is also not addressed there.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches die Vermessung und Rekonstruktion mikroskopisch kleiner, dreidimensionaler Objektoberflächen auf einfache Weise und mit geringem apparativem Aufwand ermöglicht.The invention has for its object a method specify which the surveying and reconstruction microscopic, three-dimensional object surfaces on simple Enables way and with little equipment.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention by the Features specified claim 1 solved.

Demnach werden, wie in der Photogrammetrie, zunächst zwei unterschiedli­ che Blickrichtungen auf das Objekt, d.h. zwei unterschiedliche optische Achsen, ausgewählt. Während in der Photogrammetrie jedoch, abgesehen von Bildüberlappungen in den Randbereichen, von dem Objekt bzw. dem jeweili­ gen Geländeausschnitt aus jeder Blickrichtung jeweils nur eine Aufnahme gemacht wird, wird im vorliegenden Fall vorgeschlagen, aus jeder der beiden Blickrichtungen eine Folge von Aufnahmen zu machen, wobei die in­ teressierenden bzw. für die Charakterisierung der Oberflächenstruktur markanten Oberflächenpunkte sukzessive scharf abgebildet werden. Diese Vorgehensweise berücksichtigt, daß die Schärfentiefe des Mikroskopobjek­ tives im allgemeinen wesentlich kleiner sein wird als die räumliche Aus­ dehnung der Objektoberfläche in Richtung der optischen Achse des Sy­ stems. Soll die gesamte Objektoberfläche erfaßt werden, so wird aus je­ der der beiden Blickrichtungen eine Folge von Aufnah­ men gemacht, bei denen der relative Abstand zwischen Objekt und Objektiv jeweils in der Schärfentiefe entsprechenden Schritten verändert wird. Dadurch wird die Objektoberfläche sozusagen "schichtweise" scharf abge­ bildet. Bei geometrisch besonders einfach gegliederten Objektoberflä­ chen, deren Struktur beispielsweise durch ebene Flächen, gerade Kanten, Eckpunkte sowie regelmäßig gestaltete Gräben oder Einsenkungen bestimmt es, genügt es, lediglich die die Gesamtstruktur bestimmenden markanten Oberflächenpunkte "anzufahren" und scharf abzubilden.Accordingly, as in photogrammetry, two are initially distinguished direction of the object, i.e. two different optical Axes selected. However, in photogrammetry, apart from Image overlaps in the marginal areas of the object or the respective only one shot from each line of sight is made, it is proposed in the present case, from each of the make a series of shots in both directions, the one in interesting or for the characterization of the surface structure striking surface points are gradually depicted sharply. This The procedure takes into account that the depth of field of the microscope object tives will generally be much smaller than the spatial Aus expansion of the object surface in the direction of the optical axis of the Sy stems. If the entire object surface is to be captured, then each that of the two viewing directions is a sequence of shots  men made where the relative distance between the object and lens the steps corresponding to the depth of field are changed. As a result, the object surface is sharply "layered" so to speak forms. For object surfaces with a particularly simple structure Chen, whose structure, for example, by flat surfaces, straight edges, Cornerstones and regularly designed trenches or depressions are determined it suffices, only the striking ones that determine the overall structure "Approach" surface points and depict them sharply.

Dem Objekt ist im dreidimensionalen Objektraum ein beispielsweise kar­ tesisches Koordinatensystem u, v, w zugeordnet. Die Aufnahmen aus den beiden Blickrichtungen werden unter Konstanthaltung des Bildabstandes, d.h. des Abstandes Objektiv - Bildebene, gemacht. Der Bildebene des op­ tischen Systems ist ein zweidimensionales, beispielsweise kartesisches Koordinatensystem zugeordnet. Einem Oberflächenpunkt P (u, v, w) des Ob­ jektes im Objektraum sind demnach bei scharfer Abbildung aus den beiden Blickrichtungen R und R′ zwei Bildpunkt-Koordinatenpaare x, y sowie x′, y′ zugeordnet. Zur sukzessiven scharfen Abbildung interessierender Ober­ flächenpunkte des Objekts wird in jeder der beiden Blickrichtungen das Objektiv im Objektraum, d.h. relativ zum Objekt, längs seiner optischen Achse verschoben. Dabei bleibt nicht nur der Bildabstand, sondern auch der Objektabstand, d.h. der Abstand der in der Mitte des Schärfentiefe­ bereiches gelegenen Objektebene von einer Referenzebene im Objektiv, konstant. Die Objektebene durchwandert sozusagen schrittweise das Ob­ jekt. Aufgrund dieser Gegebenheiten lassen sich die in den aufeinander­ folgenden Aufnahmen jeweils scharf abgebildeten Oberflächenbereiche des Objekts im Sinne einer Parallelprojektion zu einer einzigen Gesamtauf­ nahme zusammenfügen. Abgesehen von der durch das Objektiv bewirkten Ver­ größerung und dabei stattfindenden Seitenumkehrung stellen die beiden zweidimensionalen Abbildungsfolgen des Objektes tatsächlich zwei den beiden Blickrichtungen zugeordnete Parallelprojektionen dieses Objektes dar.In the three-dimensional object space, for example, the object is kar assigned to the tesian coordinate system u, v, w. The recordings from the both viewing directions are kept constant while maintaining the image distance, i.e. of the distance between the lens and the image plane. The image level of the op table system is a two-dimensional, for example Cartesian Coordinate system assigned. A surface point P (u, v, w) of the Ob objects in the object space are therefore from the two when the image is sharp Viewing directions R and R ′ two pixel coordinate pairs x, y and x ′, assigned to y ′. For the successive sharp illustration of waiters of interest The surface points of the object become that in each of the two viewing directions Lens in object space, i.e. relative to the object, along its optical Axis shifted. Not only the image spacing remains, but also the object distance, i.e. the distance to the center of the depth of field object plane located in the area from a reference plane in the lens, constant. The object level gradually moves through the Ob, so to speak yes. Because of these conditions, they can be following pictures each sharply depicted surface areas of the Object in the sense of a parallel projection to a single total put together. Except for the ver caused by the lens The two represent enlargement and the reversal of the page that takes place two-dimensional imaging sequences of the object actually two den parallel projections of this object assigned to both viewing directions represents.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es auf der Basis der oben geschilderten Tatsachen möglich wird, mit Hilfe der aus den beiden un­ terschiedlichen Blickrichtungen gewonnenen, jeweils zweidimensionalen Bildkoordinaten durch lineare Transformation auf die dreidimensio­ nalen Objektraumkoordinaten des abgebildeten Oberflächenpunktes zurück­ zuschließen. Die hierbei anzuwendende Transformationsmatrix T kann durch Vermessung dreier Referenzpunkte mit bekannter Lage im Objektraum aus denselben beiden Blickrichtungen gewonnen werden. Dabei ergeben sich, wie weiter unten noch näher erläutert, neun lineare Bestimmungsgleichun­ gen für die maximal neun Matrixelemente der Transformationsmatrix. The invention is based on the knowledge that it is based on the above described facts is possible with the help of the two un  different viewing directions, each two-dimensional Image coordinates through linear transformation to the three-dimensional nals object space coordinates of the mapped surface point close. The transformation matrix T to be used here can by Measurement of three reference points with a known position in the object space the same two perspectives can be gained. This results in as explained in more detail below, nine linear determination equations conditions for the maximum of nine matrix elements of the transformation matrix.  

Die beiden Aufnahmefolgen aus den beiden gewählten Blickrichtungen kön­ nen mit einem einzigen Objektiv bewerkstelligt werden. Gemäß einer er­ sten Variante kann das Objektiv feststehen und der Objektträger ge­ schwenkt und in Richtung der optischen Achse des Objektivs verschoben werden. Gemäß einer zweiten Variante kann der Objektträger geschwenkt und das Objektiv axial verschoben werden. Gemäß einer dritten Variante schließlich kann der Objektträger feststehen und das Objektiv sowohl schwenkbar als auch axial verschiebbar angeordnet sein. Natürlich ist die Erfindung auch ausführbar mit einer Anordnung, welche zwei oder meh­ rere Objektive aufweist, die aus verschiedenen Blickrichtungen auf das Objekt gerichtet und jeweils axial verschiebbar sind. Eine solche Anord­ nung ermöglicht es, zwei oder mehr Abbildungsfolgen gleichzeitig aufzu­ nehmen, ist aber apparativ aufwendiger.The two admission sequences from the two selected viewing directions can with a single lens. According to one he Most variant, the lens can be fixed and the slide can pivots and shifted in the direction of the optical axis of the lens become. According to a second variant, the slide can be pivoted and the lens can be moved axially. According to a third variant finally the slide can be fixed and the lens both be pivotally and axially displaceable. of course is the invention can also be carried out with an arrangement which has two or more rere lenses, which from different perspectives on the Object directed and are axially displaceable. Such an arrangement This enables two or more image sequences to be recorded simultaneously take, but is more expensive in terms of equipment.

Die Aufnahme und Auswertung der beiden Abbildungsfolgen kann weitgehend automatisiert ablaufen, im allgemeinen wird jedoch das Eingreifen eines menschlichen Beobachters erforderlich sein, und zwar bei der Auswahl in­ teressierender Bildpunkte. Zunächst können die beiden Abbildungsfolgen durch Veränderung des relativen Abstandes zwischen Objektiv und Objekt in der Schärfentiefe entsprechenden Schritten ohne menschliches Eingrei­ fen durchgeführt werden, ebenso wie die bildpunktweise elektronische Speicherung der jeweiligen Abbildungen, wobei eine CCD-Kamera zur Anwen­ dung kommen kann. Die gespeicherten Abbildungen können anschließend ab­ gerufen und auf einem Bildschirm bzw. parallelen Bildschirmen von einer Person zum Zwecke der Auswahl interessierender und korrespondierender Bildpunkte betrachtet werden. Die entsprechenden Bildkoordinaten können dann, beispielsweise per Maus, ausgewählt und in einen weiteren Speicher eingelesen sowie anschließend zur automatisierten weiteren Aus­ wertung herangezogen werden.The recording and evaluation of the two sequences of images can largely run automatically, but generally the intervention of a human observer may be required when selecting in interesting pixels. First of all, the two sequences of images by changing the relative distance between the lens and the object steps corresponding to the depth of field without human intervention fen as well as the pixel-wise electronic Storage of the respective images, with a CCD camera for use dung can come. The saved images can then be viewed called and on a screen or parallel screens from one Person for the purpose of selecting interested and corresponding Pixels are considered. The corresponding image coordinates  can then be selected, for example using the mouse, and added to another Memory read in and then for automated further off evaluation.

Im Interesse einer hohen Meßgenauigkeit wird es im allgemeinen von Vor­ teil sein, die beiden Blickrichtungen so zu wählen, daß sie senkrecht aufeinanderstehen.In the interest of high measurement accuracy, it is generally from Vor be part of choosing the two viewing directions so that they are vertical stand on each other.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous embodiments of the invention are set out in the subclaims remove.

Im folgenden wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand von Abbildungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:In the following, the invention is described in an exemplary embodiment on the basis of Illustrations explained in more detail. In a schematic representation:

Fig. 1 die Abbildung zweier Punkte eines Objekts im Objektraum mittels Parallelprojektion in zwei unterschiedlichen Blickrichtungen in perspektivischer Darstellung, Fig. 1, the illustration of two points of an object in the object space by means of parallel projection in two different directions of view in perspective,

Fig. 2 die Vermessung dreier Referenzpunkte des Objekts in Seitenan­ sicht, Fig. 2, the measurement of three reference points view of the object in Seitenan,

Fig. 3 die Definition eines Objektpunktes mit Hilfe von Bildkoor­ dinaten. Fig. 3, the definition of an object point using image coordinates dinaten.

In Fig. 1 ist ein Objekt in Gestalt eines unregelmäßigen Polyeders im Objektraum, definiert durch das dreidimensionale kartesische Koordina­ tensystem u, v, w, dargestellt. Zur Vermessung des Objektes sind zwei unterschiedliche Blickrichtungen R, R′ ausgewählt. Die entsprechend opti­ schen Achsen sind mit A bzw. mit A′ bezeichnet. Sie schneiden sich im Ursprung 0 des Koordinatensystems. Aus der Blickrichtung R werden die beiden Oberflächenpunkte P₁ sowie P₂ in zwei entsprechend unter­ schiedlichen Lagen des Objektivs, schematisch gekennzeichnet durch M₁ sowie M₂, scharf abgebildet, und zwar auf die jeweiligen Bildebenen E₁ und E₂. Dabei ergeben sich die beiden Bildpunkte B₁ sowie B₂. Da bei der Verschiebung des Objektivs von der Lage M₁ nach M₂ sowohl der Bild- als auch der Objektabstand konstant bleiben, liegt in beiden Fällen der gleiche Abbildungsmaßstab vor. Die beiden Bildebenen E₁ so­ wie E₂ können somit in eine gemeinsame, fiktive Superpositionsebene S verschoben und dort zur Deckung gebracht werden. Das dortige zweidimen­ sionale Koordinatensystem x, y ist identisch mit den den beiden Bildebe­ nen E₁ und E₂ zuzuordnenden Koordinatensystemen. Die den einzelnen Bildpunkten B₁ sowie B₂ entsprechenden Punkte in der Superpositions­ ebene S sind mit S₁ und S₂ bezeichnet. Für den Fall, daß der Abstand zwischen den beiden Objektivlagen M₁ und M₂ gleich der Schärfentiefe des Objektives ist, sind die in den beiden Bildebenen jeweils scharf ab­ gebildeten Oberflächenbereiche des Objektes in der Superpositionsebene S einander unmittelbar benachbart. Analoge Verhältnisse sind bezüglich der zweiten Blickrichtung R′ dargestellt, wobei Objektivlagen M₁′ und M₂′, Bildebenen E₁′ und E₂′, Bildpunkt B₁′ und B₂′, eine Superpositionsebene S′ mit korrespondierenden Bildpunkten S₁′ und S₂′ sowie ein zweidimensionales rechtwinkliges Koordinatensystem x′, y′ auftreten.In Fig. 1, an object in the form of an irregular polyhedron in the object space, defined by the three-dimensional Cartesian coordinate system u, v, w, is shown. Two different viewing directions R, R 'are selected to measure the object. The corresponding optical axes are designated A or A '. They intersect at the origin 0 of the coordinate system. From the viewing direction R, the two surface points P₁ and P₂ are sharply depicted in two correspondingly different positions of the lens, schematically identified by M₁ and M₂, on the respective image planes E₁ and E₂. This results in the two pixels B₁ and B₂. Since both the image and the object distance remain constant when the lens is moved from the position M 1 to M 2, the same imaging scale is available in both cases. The two picture planes E 1 and E 2 can thus be shifted into a common, fictional superposition plane S and brought to cover there. The two-dimensional coordinate system there x, y is identical to the coordinate systems assigned to the two image planes E 1 and E 2. The individual pixels B₁ and B₂ corresponding points in the superposition plane S are denoted by S₁ and S₂. In the event that the distance between the two lens positions M₁ and M₂ is equal to the depth of field of the lens, the surface areas of the object in the superposition plane S that are sharply formed in the two image planes are directly adjacent to one another. Analogous relationships are shown with respect to the second viewing direction R ', with lens positions M₁' and M₂ ', image planes E₁' and E₂ ', pixels B₁' and B₂ ', a superposition plane S' with corresponding pixels S₁ 'and S₂' and a two-dimensional rectangular coordinate system x ′, y ′ occur.

Die Fig. 1 ist eine Prinzipdarstellung, bei der keine Abbilidungsstrah­ lengänge gezeigt sind, sondern lediglich das Prinzip der Parallelprojek­ tion wiedergegeben ist. Die Verknüpfung der Abbildungsstrahlengänge mit der Parallelprojektion ist der Fig. 2 zu entnehmen. Fig. 1 is a schematic diagram in which no Abbilidungsstrahl lengänge are shown, but only the principle of parallel projection is shown. The connection of the imaging beam paths with the parallel projection can be seen in FIG. 2.

Die Superpositionsebene S der Fig. 1 ist rein fiktiv und nur aus Gründen der Erläuterung des Prinzips dargestellt. Die jeweils zwei gezeigten Bildebenen, z. B. E₁ und E₂, sind im konkreten Fall natürlich mit der einzigen, dem Objektiv im festen Abstand optisch nachgeordneten Bildebe­ ne identisch. Gezeigt sind zwei unterschiedliche Stellungen dieser Bild­ ebene im Objektraum nach Verschiebung des Objektivs auf der optischen Achse, z. B. A.The superposition plane S of FIG. 1 is purely fictional and is only shown for the sake of explaining the principle. The two image planes shown, e.g. B. E₁ and E₂, in the specific case are of course identical with the only one, the lens optically subordinate Bildebe ne identical. Shown are two different positions of this image plane in the object space after moving the lens on the optical axis, for. BA

Der Zusammenhang zwischen den Bildkoordinaten xi, yi sowie xi′, yi′ und den Objektraumkoordinaten ui, vi, wi wird über die Transformationsmatrix T durch folgende Gleichung vermittelt: The relationship between the image coordinates x i , y i and x i ′, y i ′ and the object space coordinates u i , v i , w i is conveyed via the transformation matrix T by the following equation:

wobei der Index i den jeweiligen Objekt- bzw. Bildpunkt kennzeichnet, für die Variable ti entweder ti ≡ xi′ oder t ≡ xi′ gilt und die Transformationsmatrix T folgende Form aufweist:where the index i identifies the respective object or pixel, for the variable t i either t i ≡ x i ′ or t ≡ x i ′ applies and the transformation matrix T has the following form:

Die neun Matrixelemente amn (m, n = 1, 2, 3) hängen natürlich von der speziellen Auswahl der beiden Blickrichtungen R und R′ ab, lassen sich im Prinzip mit Hilfe rein geometrischer Überlegungen bestimmen, sind aber in der Praxis einfacher mittels der im folgenden geschilderten Eichoperation ermittelbar.The nine matrix elements a mn (m, n = 1, 2, 3) naturally depend on the special selection of the two viewing directions R and R ', can in principle be determined using purely geometric considerations, but are simpler in practice using the can be determined in the following described calibration operation.

Zur Bestimmung der Matrixelemente amn sind maximal neun unabhängige Gleichungen erforderlich. Diese können gewonnen werden, wenn die Objekt­ raumkoordinaten dreier Punkte, die nicht alle in einer Ebene liegen, be­ kannt sind. Für diese drei Referenzpunkte Prk (k = 1, 2, 3) sind bei gegebener Konstellation der beiden ausgewählten Blickrichtungen R und R′ die jeweiligen Bildpunktkoordinaten xrk, yrk sowie xrk′ bzw. yrk′ zu ermitteln. Daraus läßt sich das folgende, aus neun Einzel­ gleichungen bestehende Gleichungssystem aufstellen:A maximum of nine independent equations are required to determine the matrix elements a mn . These can be obtained if the object spatial coordinates of three points, which are not all in one plane, are known. For these three reference points P rk (k = 1, 2, 3), given the constellation of the two selected viewing directions R and R ', the respective pixel coordinates x rk , y rk and x rk ' and y rk 'are to be determined. From this, the following system of equations, consisting of nine individual equations, can be set up:

wobei gilt: trk ≡ xrk′ oder trk ≡ yrk′.where: t rk ≡ x rk ′ or t rk ≡ y rk ′.

In dem Gleichungssystem werden also auch hier jeweils beide der einen Blickrichtung R zugeordneten Bildkoordinaten xrk, yrk, jedoch nur eine der jeweils zwei Bildkoordinaten verwendet, welche der an­ deren Blickrichtung R′ zugeordnet sind, nämlich entweder xrk′ oder yrk′. Dies reicht zur Festlegung des Gleichungssystems aus. Es entspricht geometrisch der Tatsache, daß ein Punkt im Raum durch den Schnittt einer Geraden mit einer Ebene ausreichend definiert ist, siehe Fig. 3, wobei die Gerade durch die achsparallele Projektion des einen Bildpunktes gegeben ist und die Ebene diejenige Gerade enthält, welche durch die achsparallele Projektion des der anderen Blickrichtung zuge­ ordneten Bildpunktes gegeben ist.In the system of equations, both of the image coordinates x rk , y rk assigned to a viewing direction R are also used here, but only one of the two image coordinates which are assigned to the viewing direction R ', namely either x rk ' or y rk '. This is sufficient to determine the system of equations. It corresponds geometrically to the fact that a point in space is sufficiently defined by the intersection of a straight line with a plane, see FIG. 3, the straight line being given by the axially parallel projection of the one image point and the plane containing the straight line which is formed by the Axially parallel projection of the pixel assigned to the other viewing direction is given.

Fig. 2 zeigt in Seitenansicht eine schematische Darstellung der Parallelprojektion dreier Referenzpunkte Prk (k = 1, 2, 3) im Objektraum. Die beiden in Richtung der optischen Achsen A bzw. A′ verlaufenden Blickrichtungen R und R′ schneiden sich im Ursprung 0 des Objektraum-Koordinatensystems. Die relative Orientierung der beiden Blickrichtungen entspricht dem im allgemeinen günstigsten Fall einer Schwenkung um 90°. Schematisch dargestellt sind jeweils drei unter­ schiedliche Objektivlagen Mk bzw. Mk′ mit den jeweils zugeordneten, im konstanten Bildabstand angeordneten Bildebenen Ek sowie Ek′. Weiterhin angedeutet sind die jeweils drei den Referenzpunkten Prk zu­ geordneten Abbildungsstrahlengänge mit den resultierenden Bildpunkten Brk bzw. Brk′. Diese lassen sich jeweils in gemeinsame fiktive Superpositionsebenen S bzw. S′ in die Positionen Srk bzw. Srk′ verschieben. Die Figur macht gleichzeitig deutlich, daß die Bildpunkte aus diesen Positionen durch reine Parallelprojektion rückprojiziert wer­ den können, wobei sich Schnittpunkte rk ergeben, welche genau die Konstellation der Referenzpunkte Prk unter Einbeziehung des Abbil­ dungsmaßstabes sowie der durch die Abbildung entstehenden Seitenverkeh­ rung repräsentieren. Fig. 2 shows in side view a schematic representation of the parallel projection of three reference points P rk (3 k = 1, 2,) in the object space. The two viewing directions R and R 'running in the direction of the optical axes A and A' intersect at the origin 0 of the object space coordinate system. The relative orientation of the two viewing directions corresponds to the generally best case of a 90 ° swivel. Three different lens positions M k and M k 'are shown schematically with the respectively assigned image planes E k and E k ' arranged at a constant image distance. Also indicated are the three imaging beam paths assigned to the reference points P rk with the resulting pixels B rk and B rk '. These can each be shifted into common fictitious superposition levels S or S 'into the positions S rk or S rk '. The figure also makes it clear that the pixels can be back-projected from these positions by pure parallel projection, resulting in intersections rk , which exactly represent the constellation of the reference points P rk , taking into account the scale of the image as well as the page traffic resulting from the image.

Fig. 3 zeigt schematisch, wie ein Objektpunkt P durch den Schnitt einer Geraden G mit einer Ebene Et definiert ist, wobei die Gerade G der pa­ rallel zur optischen Achse A (Blickrichtung R) verlaufenden Projektion des der einen Blickrichtung R zugeordneten Bildpunktes B gegeben ist und die Ebene Et eine Gerade G′ enthält, welche der achsparallelen Projek­ tion (Achse A′, Blickrichtung R′) des der anderen Blickrichtung R′ zuge­ ordneten Bildpunktes B′ entspricht. Dabei ist die Ebene Et in zweck­ mäßiger Weise so gewählt, daß sie parallel zu der einen Koordinatenach­ se, in diesem Falle y′, der zugeordneten Bildebene E′ verläuft, so daß zur Definition dieser Ebene Et lediglich die eine der beiden Bild­ punktkoordinaten, in diesem Falle t ≡ x′, benötigt wird, wie es in dem obigen Gleichungssystem bereits zum Ausdruck gebracht wurde. Fig. 3 shows schematically how an object point P by the intersection of a straight line G with a plane E t is defined, wherein the straight line G where the pa rallel extending to the optical axis A (viewing direction R) projection of the one viewing direction R associated pixel B is and the plane E t contains a straight line G ', which corresponds to the axis-parallel projection (axis A', viewing direction R ') of the other viewing direction R' assigned pixel B '. The plane E t is appropriately chosen so that it runs parallel to the one coordinate axis se, in this case y ', the associated image plane E', so that to define this plane E t only one of the two image point coordinates , in this case t ≡ x ′, is required, as has already been expressed in the system of equations above.

Wie oben bereits erwähnt, ist es vorteilhaft, die beiden Blickrichtungen so anzuordnen, daß sie senkrecht aufeinanderstehen. Selbstverständlich ist der allgemeine Gesichtspunkt zu berücksichtigen, daß möglichst alle interessierenden Oberflächenpunkte auch aus beiden Blickrichtungen sichtbar sind. Daher muß ggf. von der senkrechten Konstellation der bei­ den Blickrichtungen abgewichen werden. Es kann auch vorkommen, daß keine zwei Blickrichtungen existieren, aus denen alle interessierenden Ober­ flächenpunkte vermessen werden können. Dann wird es zwei oder mehr Grup­ pen von Oberflächenpunkten geben, denen jeweils unterschiedliche Kon­ stellationen zweier Blickrichtungen mit jeweils unterschiedlichen Trans­ formationsmatrizen zugeordnet sind. Jede dieser Konstellationen erfor­ dert dann eine eigene Eichoperation der oben geschilderten Art, aus der sich die jeweilige Transformationsmatrix ergibt.As mentioned above, it is advantageous to look at the two directions to be arranged so that they are perpendicular to each other. Of course the general point of view is to be considered that all if possible surface points of interest also from both perspectives are visible. Therefore, the vertical constellation of the directions of view are deviated. It can also happen that none there are two directions of view, from which all interested waiters area points can be measured. Then there will be two or more groups give pen of surface points, which each have different con positions of two gaze directions with different trans formation matrices are assigned. Each of these constellations then a separate calibration operation of the type described above, from which the respective transformation matrix results.

Claims (6)

1. Verfahren zum mikroskopischen Vermessen der Oberflächenstruktur eines Objekts, bei dem
  • - unter Konstanthaltung des Bildabstandes interessierende Oberflächen­ punkte (Pi) des Objekts in einer Folge sukzessiver Aufnahmen jeweils zentralperspektivisch längs zweier vorgegebener optischer Achsen (A, A′) scharf abgebildet werden, und
  • - die jeweiligen Koordinaten (xi, yi; xi′, yi′) der Bild­ punkte (Bi) in zugehörigen Bildkoordinatensystemen (x, y; x′, y′) gemessen und aus ihnen im Sinne einer Parallelprojektion längs den op­ tischen Achsen (A, A′) unter Einbeziehung des Abbildungsmaßstabs die Koordinaten (ui, vi, wi) der Oberflächenpunkte (Pi) in einem Objektraumkoordinatensystem (u, v, w) ermittelt werden,
  • - wobei der Zusammenhang zwischen Bild- und Objektraumkoordinaten linear durch eine Transformationsmatrix (T) gegeben ist, deren Elemente (amn) für die vorgegebenen optischen Achsen (A, A′) anhand dreier Referenzpunkte (Prk; k = 1, 2, 3) mit bekannten Objektraumkoordinaten (urk, vrk, wrk) und der zugehörigen Bildkoordinaten (xrk, yrk; xrk′, yrk′) bestimmbar sind.
1. A method for microscopically measuring the surface structure of an object, in which
  • - Surface points of interest (P i ) of the object that are of interest in a sequence of successive recordings, each with a central perspective along two predetermined optical axes (A, A ′), are sharply depicted while keeping the image distance constant, and
  • - The respective coordinates (x i , y i ; x i ′, y i ′) of the image points (B i ) in associated image coordinate systems (x, y; x ′, y ′) are measured and from them along the lines in the sense of a parallel projection optical axes (A, A ′), including the image scale, the coordinates (u i , v i , w i ) of the surface points (P i ) are determined in an object space coordinate system (u, v, w),
  • - The relationship between image and object space coordinates is given linearly by a transformation matrix (T), the elements (a mn ) for the given optical axes (A, A ') based on three reference points (P rk ; k = 1, 2, 3 ) with known object space coordinates (u rk , v rk , w rk ) and the associated image coordinates (x rk , y rk ; x rk ′, y rk ′) can be determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei­ den optischen Achsen (A, A′) senkrecht aufeinanderstehen.2. The method according to claim 1, characterized in that the at the optical axes (A, A ') are perpendicular to each other. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sukzessiven Aufnahmen durch axiale Verschiebung eines Objektives im Objektraum in der Schärfentiefe entsprechenden Schritten gewonnen werden.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the successive exposures by axially shifting a lens in the Object space can be obtained in steps corresponding to the depth of field. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei der Bildung der Transformationsmatrix (T) von den der einen der beiden optischen Achsen (A′) zugeordneten Bildkoordi­ naten (xi′, yi′) jeweils nur die eine (xi) oder die andere (yi′) verwendet wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the formation of the transformation matrix (T) of the one of the two optical axes (A ') associated image coordinates (x i ', y i ') each only one (x i ) or the other (y i ′) is used. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ob­ jektraumkoordinaten (ui, vi, wi) aus den Bildkoordinaten (xi, yi; xi′, yi′) gemäß der folgenden Gleichung ermittelt werden: mit ti ≡ xi′ oder ti ≡ yi′ und der Transformationsmatrix 5. The method according to claim 4, characterized in that the object space coordinates (u i , v i , w i ) are determined from the image coordinates (x i , y i ; x i ', y i ') according to the following equation: with t i ≡ x i ′ or t i ≡ y i ′ and the transformation matrix 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ma­ trixelemente amn der Transformationsmatrix T durch Lösung des folgen­ den Gleichungssystems bestimmt werden: mit k = 1, 2, 3 und trk ≡ xrk′ oder trk ≡ yrk′, wo­ bei die urk, vrk, wrk die Objektraumkoordinaten der drei bekann­ ten Referenzpunkte Prk und xrk, yrk sowie xrk′, yrk′ die zugehörigen Bildkoordinaten bezüglich der beiden optischen Achsen (A, A′) bedeuten.6. The method according to claim 5, characterized in that the Ma trix elements a mn of the transformation matrix T are determined by solving the following system of equations: with k = 1, 2, 3 and t rk ≡ x rk ′ or t rk ≡ y rk ′, where the u rk , v rk , w rk are the object space coordinates of the three known reference points P rk and x rk , y rk as well x rk ′, y rk ′ mean the associated image coordinates with respect to the two optical axes (A, A ′).
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FR2517052A1 (en) * 1981-11-24 1983-05-27 Centre Nat Rech Scient Three=dimensional object surface reconstruction - determines coordinates from correspondence between sets of images grouped in pairs and uses optical illumination of points
DE3941144A1 (en) * 1989-12-13 1991-06-20 Zeiss Carl Fa COORDINATE MEASURING DEVICE FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF OBJECTS

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GB-Buch: K. B. Atkinson (Ed.): Developments in Close Range Photogrammetry-1, Applied Science Publishers Ltd., London, 1980, Kapitel 1,2 *

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