DE60125025T2

DE60125025T2 - System für simultanprojektionen von mehrfach phasenverschobenen mustern für die dreidimensionale inspektion eines objektes

Info

Publication number: DE60125025T2
Application number: DE60125025T
Authority: DE
Inventors: Alain Brossard COULOMBE; Michel Brossard CANTIN; Alexandre Montreal NIKITINE
Original assignee: Solvision Inc
Current assignee: Solvision Inc
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2001-03-20
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2021-03-21
Also published as: TW571072B; AU2001242179A1; ATE347682T1; US7079666B2; EP1266187B1; EP1266187A1; US20020018118A1; CA2301822A1; IL151528A0; JP2003528303A; US20070146727A1; KR100815283B1; DE60125025D1; US7403650B2; CN1419647A; KR20030009403A; CN1185464C; WO2001071279A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren für dreidimensionale Untersuchungsobjekte. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein System für simultane Projektionen mehrerer phasenverschobener Muster auf Objekte zu deren dreidimensionaler Untersuchung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Verwendung interferometrischer Verfahren für die dreidimensionale Untersuchung eines Objektes oder zum Messen der Höhenvariationen (des Reliefs) eines Objektes ist bekannt. Allgemein gesprochen bestehen diese Verfahren in der Erzeugung eines interfermoetrischen Musters auf der Oberfläche des Objektes und der anschließenden Analyse des so entstandenen interferometrischen Bildes (oder Interferogrammes), um das Relief des Objektes zu erfassen. Das interferometrische Bild enthält im Allgemeinen eine Reihe schwarzer und weißer Interferenzstreifen (fringes).
Interferometrische Verfahren, für welche die Verwendung eines Lasers zum Erzeugen des interferometrischen Musters erforderlich ist, werden gewöhnlich als "klassische interferometrische Verfahren" bezeichnet. In solchen klassischen Verfahren wird die Periode des erzeugten Interferogrammes im Allgemeinen durch die Wellenlänge des Lasers und die Konfiguration der Messanordnung bestimmt. Klassische Interferometrieverfahren werden im Allgemeinen im sichtbaren Spektrum verwendet, um Höhenvariationen im Mikrometerbereich zu messen.
Bei der Verwendung eines solchen Verfahrens hat es sich jedoch als schwierig erwiesen, Höhenvariationen auf einer Oberfläche mit Variationen im Bereich von 0,5–1 mm zu messen, wenn sie im sichtbaren Spektrum implementiert sind. Tatsächlich erhöht sich die Dichte der schwarzen und weißen Interferenzstreifen des erzeugten Interferogrammes, wodurch die Analyse arbeitsaufwendig wird.
Ein weiterer Nachteil klassischer interferometrischer Verfahren besteht darin, dass sie besonders geräusch- und vibrationsempfindliche Messanordnungen erfordern.
Verglichen mit der Genauigkeit klassischer interferometrischer Verfahren ermöglichen auf der Moire-Interferometrie basierende dreidimensionale Untersuchungsverfahren eine genauere Messung des Objektes im sichtbaren Spektrum. Diese Verfahren beruhen auf der Analyse der erlangten Frequenzschwebungen (frequency beats) zwischen 1) einem über dem zu messenden Objekt angeordneten Gitter und seinem Schatten auf dem Objekt ("Schatten-Moirétechniken") oder 2) der Projektion eines Gitters auf das Objekt, wobei ein weiteres Gitter zwischen dem Objekt, und der Kamera, die dafür verwendet wird, das so erzeugte Interferogramm zu fotografieren, angeordnet wird ("Projektions-Moirétechniken"). In beiden Fällen erzeugen die Frequenzschwebungen zwischen den beiden Gittern die Interferenzstreifen in dem erzeugten Interferogramm.
Im Einzelnen beinhaltet die Schatten-Moirétechnik die folgenden Schritte: Anordnen eines Gitters in der Nähe des zu messenden Objektes, Bereitstellen von Beleuchtung aus einem ersten Winkel von der Objektebene (z.B. 45 Grad) und Verwendung einer Kamera, die in einem zweiten Winkel angeordnet ist (z.B. 90 Grad von der Objektebene), um das Interferogramm zu fotografieren.
Da der Abstand zwischen dem Gitter und dem Objekt variiert, entsteht durch diese Höhenvariation eine Variation in dem Muster des Interferogrammes. Diese Variation in dem Muster kann dann analysiert werden, um das Relief des Objektes zu erlangen.
Ein Nachteil der Verwendung einer Schatten-Moirétechnik zur Messung des Reliefs eines Objektes besteht darin, dass das Gitter sehr nahe an dem Objekt angeordnet werden muss, um genaue Ergebnisse zu erzielen, wodurch Einschränkungen in dem Aufbau der Messanordnung entstehen.
Die Projektions-Moirétechnik ist der Schatten-Moirétechnik insofern ähnlich, als das zwischen der Kamera und dem Objekt angeordnete Gitter eine ähnliche Funktion hat wie der Schatten des Gitters in der Schatten-Moirétechnik. Bei der Projektions-Moirétechnik besteht jedoch ein weiterer Nachteil darin, dass sie viel Einstellaufwand mit sich bringt und daher allgemein zu ungenauen Ergebnissen führt, da sie das Anordnen und Nachverfolgen (tracking) zweier Gitter erforderlich macht. Außerdem verdeckt das zweite Gitter leicht die Kamera und verhindert so, dass sie gleichzeitig für andere Messungen verwendet werden kann.
Der Einsatz von Verfahren, die auf der "Phasenverschiebungs"-Interferometrie beruhen, erlaubt das Messen des Reliefs eines Objektes durch Analyse der Phasenvariationen mehrerer Bilder des Objektes nach dem Aufprojizieren eines Musters. Jedes Muster entspricht einer Variation der Position des Gitters oder eines beliebigen anderen Mittels zum Erzeugen des Musters relativ zu dem Objekt.
Tatsächlich lässt sich die Intensität l(x, y) für jeden Pixel (x, y) auf einem interferometri schen Bild mit der folgenden Gleichung beschreiben: l(x, y) = A(x, y) + B(x, y)·cos(ΔΦ(x, y)) (1),wobei ΔΦ die Phasenvariation (oder Phasenmodulation) ist und A und B ein Koeffizient sind, der für jeden Pixel berechnet werden kann.
In der PCT-Anmeldung Nr. WO01/06210 mit dem Titel "Method And System For Measuring The Relief Of An Object" ["Verfahren zum Messen von Unebenheiten auf einem Gegenstand"], beschreiben Coulombe u.a. ein Verfahren und ein System zum Messen der Höhe eines Objektes unter Verwendung von wenigstens drei interferometrischen Bildern. Da die Gleichung 1 drei Unbekannte, nämlich A, B und ΔΦ, sowie drei Intensitätswerte I₁, I₂ und I₃ für jeden Pixel enthält, sind tatsächlich drei Bilder erforderlich, um die Phasenvariation ΔΦ zu berechnen.
Ist die Phasenvariation ΔΦ bekannt, so kann die Objekthöhenverteilung (das Reließ an jedem Punkt h(x, y) relativ zu einer Referenzoberfläche mit Hilfe der folgenden Gleichung berechnet werden (siehe 1):
wobei p das Rastermaß (grid pitch) und θ der Projektionswinkel ist, wie oben beschrieben.
Die drei von Coulombe u.a. verwendeten Bilder entsprechen einer geringfügigen Verschiebung eines Gitters relativ zu der Oberfläche des Objektes. Die Versetzungen des Gitters werden so gewählt, dass sie zu Phasenvariationen in den Bildern führen. Coulombe u.a. schlagen zum Erlangen der Bilder die Verwendung eines Systems vor, das eine Bewegung des Gitters relativ zu dem zu messenden Objekt erlaubt. Ein kleiner Nachteil eines solchen Systems besteht darin, dass das Gitter zwischen den einzelnen Aufnahmen bewegt werden muss, wodurch sich die Zeit für die Bilderfassung verlängert. Das kann zum Beispiel dann besonders ungünstig sein, wenn ein solches System zum Untersuchen bewegter Objekte auf einem Fertigungsband verwendet wird. Allgemeiner gesprochen, erhöhen alle beweglichen Teile in solchen Systemen die Möglichkeit von Ungenauigkeit und auch von Beschädigung.
Der Stand der Technik wird auch durch die Druckschriften US-A-5 608 529 und EP-A-076 866 veranschaulicht, auf die im Folgenden eingegangen wird.
Die Druckschrift US-A-5 608 529 zielt auf Musterprojektion zum Messen des Reliefs eines Objektes und befasst sich insbesondere mit der Projektion und Erkennung eines strukturierten Lichtes in drei unterschiedlichen Brennebenen. Es wird eine Ebenenteilungseinrichtung verwendet, um die Tiefenschärfe des optischen Systems zu erhöhen und schnelle und präzise Messungen der Form über eine breite Fläche zu erreichen. Diese Druckschrift lehrt lediglich, wie die Abhängigkeit des Musterprojektionsverfahrens von der Tiefenschärfe zu verringern ist.
Die Druckschrift EP-A-076 866 zielt auf die Projektion dreier spektral codierter, phasenverschobener Gitter auf der Oberfläche des Objektes.
Somit ist ein Verfahren und ein System zur dreidimensionalen Untersuchung eines Objektes wünschenswert, das von den oben erwähnten Nachteilen des Standes der Technik frei ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Insbesondere wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein dreidimensionales Bilderfassungssystem zur Verfügung gestellt, welches folgendes aufweist:
eine Musterprojektionsanordnung zum simultanen Projizieren von wenigstens zwei phasenverschobenen Mustern auf ein Objekt; dabei erfolgt die Erzeugung der einzelnen projizierten Muster durch Zerlegen [Dekomposition] eines weißen Lichtes oder eines nichtweißen Lichtes einschließlich mehrerer monochromatischer Lichtwellen in entweder mehrere monochromatische Lichtwellen oder einander nicht überlagernden Bandbreiten; sowie
eine Bildaufnahmevorrichtung, die für die mehreren monochromatischen Lichtwellen oder die einander nicht überlagernden Bandbreiten empfindlich ist, um gleichzeitig ein Bild von jedem der projizierten Muster auf dem Objekt zu erfassen;
wobei phasenverschobene Versionen desselben Musters in derselben Beobachtungsebene fokussiert sind.
Weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden, nicht einschränkenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen derselben, die lediglich als Beispiele und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen genannt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen gilt:
1 ist eine schematische Ansicht, welche die Projektion eines Gitters auf ein Objekt darstellt;
2 ist eine schematische Ansicht eines Systems zum Messen des Reliefs eines Objektes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine schematische Ansicht des dreidimensionalen Bilderfassungssystems aus 2 gemäß einer Hauptausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine schematische Ansicht eines Spektralteilers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
5 ist eine schematische Ansicht des dreidimensionalen Bilderfassungssystems aus 2 gemäß einer Abwandlung der Hauptausführungsform;
6 ist eine schematische Ansicht des dreidimensionalen Bilderfassungssystems aus 2 gemäß einer weiteren Abwandlung der Hauptausführungsform;
7 ist eine schematische Ansicht des dreidimensionalen Bilderfassungssystems aus 2 gemäß wiederum einer weiteren Abwandlung der Hauptausführungsform; und
8 ist ein Blockdiagramm, welches ein Verfahren zum Messen des Reliefs eines Objektes darstellt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Es wird nun auf die 2 und 3 der beigefügten Zeichnungen Bezug genommen und ein System 10 zum Messen des Reliefs eines Objektes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Das System zum Messen des Reliefs eines Objektes 10 weist folgendes auf eine Gitterprojektionsanordnung 11, eine Bildaufnahmevorrichtung 12 und eine Steuervorrichtung in Form eines Computers 14, der vorteilhafterweise über eine Speichereinrichtung 16, eine Ausgabeeinrichtung 18 und eine Eingabeeinrichtung 20 verfügt. Die Gitterprojektionsanordnung 11 und die Bildaufnahmevorrichtung 12 bilden zusammen ein dreidimensionales Bilderfassungssystem (im Folgenden als "3D-Erfassungssystem" bezeichnet) 15 und werden unten näher beschrieben.
Der Computer 14 ist vorteilhafterweise dafür konfiguriert, die von dem System 15 erfassten Bilder zu verarbeiten und diese Bilder zu analysieren, um das Relief eines Objektes 30 zu messen (siehe z.B. 3).
Die Bilderfassung und die Messung des Reliefs des Objektes 30 kann vorteilhafterweise mit einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgen, wie im Weiteren beschrieben. Es können jedoch auch andere Verfahren verwendet werden.
Der Computer 14 ist vorteilhafterweise mit Speichermitteln ausgestattet, die das Speichern der Bilder erlauben, wenn sie von dem Computer 14 verarbeitet werden, um so die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen.
Bei der Speichereinrichtung 16 kann es sich z.B. um eine Festplatte, ein Laufwerk für beschreibbare CD-ROMs oder andere bekannte Mittel zum Speichern von Daten handeln. Sie kann direkt mit dem Computer 14 verbunden sein oder über ein Computernetzwerk wie z.B. das Internet fernverbunden sein. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Speichereinrichtung 16 zum Speichern sowohl der von der Bildaufnahmevorrichtung 12 aufgenommenen Bilder als auch des Reliefs des Objektes 30 und anderer Zwischenergebnisse verwendet. Diese Dateien können in vielen Formaten und Auflösungen gespeichert werden, die der Computer 14 lesen kann.
Die Ausgabeeinrichtung 20 erlaubt die Visualisierung der Bilder und der von dem Computer 14 erzeugten Daten und kann vielfältige Formen von einem Bildschirm bis zu einer Druckvorrichtung haben.
Bei der Eingabeeinrichtung 18 kann es sich um eine gewöhnliche Maus, eine Tastatur oder eine andere bekannte Eingabeeinrichtung bzw. eine Kombination daraus handeln, welche die Eingabe von Daten und Befehlen in den Computer 14 erlaubt.
Der Computer 14 kann ein gewöhnlicher Personal Computer oder jede andere bekannte Datenverarbeitungsanlage sein, welche einen Prozessor, einen Speicher und Ein- und Ausgänge (nicht dargestellt) umfasst. Die Ein- und Ausgänge können Anschlussmöglichkeit an ein Netzwerk aufweisen, damit die Bilder zu und von der Speichereinrichtung 16 übertragen werden können.
Natürlich läuft auf dem Computer 14 eine Software, die ein Verfahren zum Messen des Reliefs eines Objektes ausführt, wie unten beschrieben wird.
Es wird nun insbesondere auf 3 in den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen und ein 3D-Erfassungssystem 15 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung näher beschrieben.
Die Gitterprojektionsanordnung 11 weist eine Beleuchtungsanordnung 22, ein an einer Trägervorrichtung (nicht dargestellt) montiertes Gitter 24 und einen Projektor 28 auf.
Die Beleuchtungsanordnung 22 weist vorteilhafterweise eine Quelle für weißes Licht 34 auf, welches durch das Gitter 24 projiziert wird. Beispielsweise ist die Quelle 34 das Ende einer optischen Faser (nicht dargestellt), die Licht aus einer Weißlichtquelle (nicht dargestellt) liefert. Vorteilhafterweise wird zwischen der Quelle 34 und dem Gitter 24 auch eine asphärische Linse 36 oder ein beliebiger anderer Kondensor verwendet. Es wird davon ausgegangen, dass dem Fachmann ohne Weiteres weitere Beleuchtungsanordnungen vorstellbar sind. Alternativ kann das Gitter durch jedes in einem Rahmen montierte Muster ersetzt werden.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Beleuchtungsanordnung 22 auch einen Spektralteiler (oder "Lichtteiler" (light splitter)) 35 auf, der zwischen der Beleuchtungsanordnung 22 und dem Gitter 24 angeordnet ist (siehe 4). Der Spektralteiler 35 ist so konstruiert, dass er das von der Lichtquelle 34 erzeugte weiße Licht 37 in wenigstens zwei unterschiedliche monochromatische Lichtwellen (lights) (jede der drei verschiedenen Strichlinien in 4 steht für eine monochromatische Lichtwelle) oder zwei einander nicht überlagernde Bandbreiten zerlegt.
Alternativ können auch beliebige andere Mittel verwendet werden, die dafür konfiguriert sind, weißes Licht in mehrere monochromatische Lichtwellen oder in einander nicht überlagernde Bandbreiten zu zerlegen.
Die Weißlichtquelle kann alternativ auch durch eine Quelle für nichtweißes Licht mit mehreren monochromatischen Lichtwellen ersetzt werden.
Da davon ausgegangen wird, dass Vorrichtungen, die solche Ergebnisse erzielen, Fachleuten bekannt sind, werden sie hier nicht näher beschrieben.
Die Konfiguration des Gitters 24 kann je nach der Auflösung variieren, die für eine adäquate Messung des Reliefs des Objektes 30 erforderlich ist. Beispielsweise ist festgestellt worden, dass eine Ronchi-Teilung mit 250 Linien pro Zoll eine Messung der Leitungs-Koplanarität einer Schaltungsplatine ermöglicht, wofür eine Auflösung von ca. 1 mm erforderlich ist.
Vorteilhafterweise wird ein Projektor 28 in Form einer 50-mm-TV-Linse verwendet, um das Gitter 24 auf das Objekt 38 zu projizieren.
Die Verwendung einer Weißlichtquelle 34, welche durch einen Spektralteiler 35 und dann durch ein Gitter 24 projiziert wird, erlaubt in vorteilhafter Weise die simultane Projektion von wenigstens zwei monochromatischen, phasenverschobenen Gittern auf das Objekt 30.
Alternativ kann der Spektralteiler 35 die Form einer prismenartigen Vorrichtung haben, welche das weiße Licht in ein kontinuierliches Lichtspektrum zerlegt. In dem vorliegenden Bei spiel kann die Bildaufnahmevorrichtung 12 so konfiguriert sein, dass sie für eine diskrete Zahl Wellenlängen empfindlich ist.
Der Winkel θ zwischen der Lichteinfallsrichtung (gestrichelte Linie 42 in 3) und der Sichtlinie der Bildaufnahmevorrichtung 12 (gestrichelte Linie 44 in 3) kann je nach Art des zu messenden Objektes 30 variieren.
Es wird davon ausgegangen, dass es dem Fachmann ohne Weiteres möglich ist, die Beleuchtungsanordnung 22, das Gitter 24 und den Gitterprojektor 28 relativ zu dem Objekt 30 so auszurichten, dass projizierte Gitter mit dem gewünschten Rastermaß p auf dem Objekt 30 entstehen.
Ein Ronchi-Gitter mit einer Dichte von 250 Linien pro Zoll, einem Abstand 43 von 22 cm zwischen dem Objekt 30 und dem Projektor 28 sowie für einen Winkel θ von 30 Grad liefert zum Beispiel projizierte Gitter mit einem Rastermaß p von 0,5 mm. Ein solches Rastermaß entspricht einer Höhenvariation von ca. 1 mm auf dem Objekt 30.
Selbstverständlich variiert das Rastermaß der projizierten Gitter mit dem Rastermaß des Gitters 24.
Es wird darauf hingewiesen, dass für das System 10 kein Raster zwischen der Kamera 46 und dem Objekt 30 erforderlich ist. Dieser Vorteil wird unten erläutert.
Alternativ kann die Gitterprojektionsanordnung 11 dafür konfiguriert sein, jedes beliebige andere Muster zu projizieren, indem das Gitter 24 durch eine semitransparente Platte mit einer strukturierten Form ersetzt wird.
Die Bildaufnahmevorrichtung 12 weist eine Kamera 46 mit einer Pixelmatrix auf, die vorteilhafterweise die Form einer Farb-CCD-Kamera hat und so konfiguriert ist, dass sie für die Wellenlängen der projizierten Gitter empfindlich ist. Jede dieser Kameras liefert z.B. eine Auflösung von 1300 × 1024 Pixeln.
Die Bildaufnahmevorrichtung 12 kann eine telezentrische Linse 48 aufweisen, die vorteilhafterweise mit einem optionalen Zwischenring 50 an der Kamera 46 angebracht ist.
Die Konfiguration der Bildaufnahmevorrichtung 12 und des Abstandes zwischen der Vorrichtung 12 und dem Objekt 30 bestimmt das Sichtfeld der Bildaufnahmevorrichtung 12. Alternativ kann ein gewünschtes Sichtfeld ohne den Zwischenring 50 erzielt werden, indem die Kamera 46 in einem angemessenen Abstand von dem Objekt 30 angeordnet wird.
Eine Bildaufnahmevorrichtung 12 ermöglicht das simultane Aufnehmen mehrerer Bilder von phasenverschobenen, projizierten Gittern auf dem Objekt 30.
Es wird darauf hingewiesen, dass das System 10 eine einstellbare Trägervorrichtung (nicht dargestellt) aufweist, um die Bildaufnahmevorrichtung 12 und die Gitterprojektionsanordnung 11 relativ zueinander und zu dem Objekt 30 anzuordnen. Alternativ können andere Passmittel verwendet werden.
Es wird nun auf 5 Bezug genommen und eine Abwandlung des 3D-Erfassungssystems 17 beschrieben. Da die einzigen Unterschiede zwischen der abgewandelten und der Hauptausführungsform in der Bildaufnahmeanordnung liegen, und auch der Kürze halber, werden nur diese Unterschiede hier näher beschrieben.
Die Bildaufnahmevorrichtung 12' weist drei Kameras 46 auf, die jeweils die Form einer CCD-Kamera haben.
Die Verwendung von semitransparenten Spiegeln und Filtern 52-56 ermöglicht eine Umleitung des von dem Objekt 30 in einem Winkel θ eintreffenden Lichtes zu einer der drei CCD-Kameras 46. Die Filter ermöglichen eine Unterscheidung der Wellenlängen entsprechend den drei projizierten Gittern.
Im Einzelnen ist ein erster semitransparenter Spiegel 52 dafür konfiguriert, die erste gewünschte Wellenlänge auf eine erste Kamera 46 zu reflektieren und das restliche Licht einschließlich der zweiten und der dritten Wellenlänge durchzulassen. Die zweite Wellenlänge wird von dem zweiten semitransparenten Spiegel 54, der so gewählt ist, dass er die dritte Wellenlänge durchlässt, auf eine zweite Kamera 46 reflektiert. Der dritte Spiegel 56 reflektiert dann das Licht mit der dritten Wellenlänge auf eine dritte Kamera 46.
Vorteilhafterweise weist jede der drei CCD-Kameras 46 ein Filter auf, das ein Erlangen des oben beschriebenen Ergebnisses ermöglicht.
Es wird darauf hingewiesen, dass in beiden Bildaufnahmevorrichtungen 12 und 12' die CCD-Kameras alternativ durch CMOS-(komplementäre Metall-Oxid-Silicium)-Geräte ersetzt werden können.
Die Bildaufnahmevorrichtungen 12 und 12' sind zwar in einer solchen Konfiguration beschrieben worden, dass sie monochromatisches Licht unterscheiden können; es wird jedoch davon ausgegangen, dass es für den Fachmann ohne Weiteres möglich ist, diese Vorrichtungen so abzuwandeln, dass sie Licht mit einer vorgegebenen Bandbreite unterscheiden können.
Es wird nun auf 6 Bezug genommen und eine weitere Abwandlung eines Systems 19 zum Erlangen phasenverschobener Bilder beschrieben. Da die einzigen Unterschiede zwischen dieser weiteren und der vorigen Abwandlung in der Projektionsanordnung liegen, und auch der Kürze halber, werden nur diese Unterschiede hier näher beschrieben.
Die Projektionsanordnung 11' weist drei Gitterprojektionsvorrichtungen auf, die jeweils eine Quelle mit einem Gitter 24 und einem Projektor 28 ähnlich der Anordnung aus 3 oder 5 umfassen, mit dem Unterschied, dass die Lichtquellen 34', 34'' und 34''' keine Weißlichtquellen sind, sondern einen Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Wellenlänge ausgeben, die jeweils unterschiedlich ist.
Die erzeugten Lichtstrahlen werden jeweils entlang einer Einfallsrichtung (gestrichelte Linien 42', 42'' oder 42''') ausgerichtet und mit Hilfe einer Reflexionsanordnung, die Spiegel 58 und 62 sowie semitransparente Spiegel 60 und 64 umfasst, entlang des Einfallsweges 42 umgeleitet. Da davon ausgegangen wird, dass eine solche Anordnung von Spiegeln durch den Fachmann ohne Weiteres vorzunehmen ist, wird sie hier nicht näher beschrieben.
Damit für jedes der projizierten Gitter ein konstantes Rastermaß p eingehalten wird, kann der longitudinale Abstand von dem Objekt für jede Musterprojektionsvorrichtung variieren. Alternativ ist, wenn ein solches konstantes Rastermaß p nicht eingehalten wird, bei der Verwendung der entstandenen Bilder zum Berechnen des Reliefs eines Objektes der Unterschied in dem Weg der einfallenden Strahlen zu berücksichtigen.
Selbstverständlich können die Projektionsanordnung 11' und die Bildaufnahmeanordnung 12 in wiederum einer weiteren Abwandlung eines 3D-Erfassungssystems 21 kombiniert werden (siehe 7). Auch hier ermöglicht das System 21 wie bei der Hauptausführungsform oder bei den anderen, oben beschriebenen Abwandlungen die simultane Projektion von drei phasenverschobenen Mustern auf ein Objekt und dann das simultane Aufnehmen von Bildern dieser projizierten Muster.
Die Systeme 15, 17, 19 und 21 sind zwar als in der Weise konfiguriert beschrieben worden, dass sie simultan drei Muster projizieren können, jedoch kann ein 3D-Erfassungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung so konfiguriert und verwendet werden, dass es Muster in einer beliebigen Zahl über zwei simultan projizieren kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass in den 6 und 7 zwar drei Musterprojektionsvorrichtungen dargestellt werden, dass aber davon ausgegangen wird, dass es dem Fachmann ohne Weiteres möglich ist, die 3D-Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in der Weise abzuwandeln, dass die simultane Projektion von Mustern in einer beliebigen Zahl über zwei ermöglicht wird.
Es wird nun auf die 8 in den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen und ein Verfahren zum Messen des Reliefs eines Objektes näher beschrieben.
Allgemein gesprochen besteht das Verfahren im Messen des Reliefs eines Objektes 30 durch Ausführen der folgenden Schritte:
100 – simultanes Projizieren von wenigstens drei phasenverschobenen Gittern auf das Referenzobjekt;
102 – simultanes Aufnehmen eines Bildes von jedem der phasenverschobenen Gitter auf dem Referenzobjekt, so dass für jeden Pixel der Bilder ein Intensitätswert erlangt wird;
104 – Berechnen der Phase für jeden Pixel der Referenzbilder mit Hilfe der Intensitätswerte;
106 – Wiederholen der Schritte 100 bis 104, wobei das Referenzobjekt durch das zu messende Objekt 30 ersetzt wird;
108 – pixelweise Berechnung der Höhendifferenz zwischen dem Objekt 30 und dem Referenzobjekt mit Hilfe von deren jeweiligen Phasen für jeden Pixel und
110 – Bestimmung des Reliefs des Objektes für jeden Pixel mit Hilfe der Höhendifferenz an jedem Pixel.
Diese allgemeinen Schritte werden nun unter Bezugnahme auf ein erstes Beispiel näher beschrieben, wobei das zu messende Objekt eine auf einer Platte angebrachte Bleikugel ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass ein solches Verfahren zum Messen des Reliefs eines Objektes auch Messungen des Reliefs anderer dreidimensionaler Objekte ermöglicht.
Da als Referenzobjekt eine glatte Platte gewählt wurde, ergibt die Höhendifferenz zwischen dem Objekt und dem Referenzobjekt die Höhe der Kugel. Das dem Objekt 62 und dem Referenzobjekt gemeinsame Element ist in diesem Beispiel die Platte.
In Schritt 100 wird das System 10 dazu verwendet, drei phasenverschobene Gitter simultan auf die glatte Platte zu projizieren. Wie oben erläutert wurde, weist das System 10 ein Mittel zum Anpassen und Fixieren der Position des Gitters bzw. der Gitter 24 und der Kamera bzw. der Kameras 46 relativ zu dem Referenzobjekt (und später dem Objekt) auf.
Das System 10 wird auch dazu verwendet, simultan ein Bild der drei phasenverschobenen Gitter auf dem Referenzobjekt aufzunehmen (Schritt 102).
Jedes Bild enthält für jeden Pixel des Bildes einen Intensitätswert. Der Rechner 14 spei chert diese Intensitätswerte zur späteren Verarbeitung.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Mindestanzahl der mit dem System 10 erlangten phasenverschobenen Bilder drei ist, da die Gleichung 1 drei Unbekannte enthält, nämlich A, B und ΔΦ, und daher drei Intensitätswerte I₁, I₂ und I₃ für jeden Pixel erforderlich sind, um die Phasenvariation ΔΦ zu berechnen.
Das System 10 und insbesondere das 3D-Erfassungssystem 15 (oder 17 oder 19 oder 21) ermöglicht das Erlangen von Bildern eines projizierten phasenverschobenen Gitters auf einem Objekt, ähnlich Bildern, die durch Verschieben des Gitters 24 zwischen den einzelnen Aufnahmen erfolgreich hätten erlangt werden können.
Hieraus ergeben sich drei Gleichungen ähnlich der Gleichung 1 für jeden Pixel der Pixelmatrix der Kamera 46: In = A + B·cos(ΔΦ + Δφn) (2),wobei n = 1, 3.
Durch Lösen des Gleichungssystems 2 erhält man den Wert von ΔΦ. Die Wellenlängen der drei projizierten Gitter werden so gewählt, dass sie vorteilhafterweise unterschiedliche Werte für Δφ₁, Δφ₂ und Δφ₃ ergeben.
In Schritt 104 wird durch Lösen der Gleichungen 2 unter Verwendung der drei Intensitätswerte für jeden Pixel die Phase berechnet. Das kann zum Beispiel mit Hilfe eines gewöhnlichen numerischen Verfahrens erfolgen. Es wird davon ausgegangen, dass numerische Verfahren zum Lösen solcher Gleichungssysteme dem Fachmann bekannt sind. Sie werden hier nicht beschrieben.
Da das Verfahren aus 8 zum Messen des Reliefs eines Objektes wenigstens drei Bilder erfordert, wird es durch Bereitstellung von mehr als drei Bildern möglich, aus den vier verfügbaren Werten für jeden Pixel die drei besten Werte zum Berechnen der Phase auszuwählen. Tatsächlich erfordern die meisten Verfahren zum Berechnen des Reliefs eines Objektes vier Werte und bieten nicht die Möglichkeit, den besten Wert auszuwählen, wenn vier Bilder verfügbar sind und eines davon gesättigt oder verrauscht ist.
Wenn das Verfahren aus 8 zum Untersuchen einer Reihe von Objekten verwendet wird, ist es möglich, vor der Untersuchung die Schritte 100 bis 104 für das Referenzobjekt vorteilhafterweise nur einmal durchzuführen. Dadurch lässt sich die Untersuchungsgeschwindigkeit erhöhen.
Es können auch Bilder des Referenzobjektes zur Verfügung gestellt werden, die etwa vor einer Messung des Objektes erfasst worden sind.
Die Schritte 100 bis 104 werden wiederholt, wobei das Referenzobjekt durch das zu messende Objekt ersetzt wird (Schritt 106).
Da kein Unterschied zwischen der Ausführung der Schritte 100 bis 104 mit dem Objekt und mit dem Referenzobjekt besteht, und um der Kürze willen, werden diese Schritte hier nicht erneut mit Bezug auf das Objekt beschrieben.
Alternativ können andere Verfahren zum Berechnen der Phase des Objektes und/oder des Referenzobjektes verwendet werden. Es wird davon ausgegangen, dass diese alternativen Verfahren dem Fachmann bekannt sind. Sie werden hier daher nicht näher beschrieben.
In Schritt 108 erfolgt eine Berechnung der Höhendifferenz zwischen dem Objekt 30 und dem Referenzobjekt für jeden Pixel, wie in Schritt 104 erfasst, durch Subtrahieren der Phase des Referenzobjektes von der Phase des untersuchten Objektes.
Es wird darauf hingewiesen, dass die in Schritt 104 für das Objekt und für das Referenzobjekt berechneten Phasen Oberflächenphasen relativ zu einer imaginären Projektionsebene entsprechen.
Bei einer nichtparallelen Projektion des Gitters bzw. der Gitter 24 wird diese imaginäre Projektionsebene etwas gekrümmt. Dies wirkt sich nicht negativ auf das Verfahren zum Messen des Reliefs eines Objektes gemäß der vorliegenden Erfindung aus, da die Bilder sowohl des Objektes als auch des Referenzobjektes mit demselben System 10 aufgenommen werden.
Da die Phasen des Objektes und des Referenzobjektes an jedem Pixel der Höhendifferenz zwischen dem Objekt (bzw. dem Referenzobjekt) und derselben imaginären Projektionsebene entsprechen (da dasselbe System mit derselben optischen Anordnung verwendet wird), ergibt ihre Subtraktion die Höhendifferenz zwischen dem Objekt und dem Referenzobjekt. Dies ermöglicht eine Durchführung der Bildaufnahme für das Objekt und das Referenzobjekt bei unterschiedlicher Beleuchtung.
In dem optionalen Schritt 110 wird das Relief des Objektes, d.h. seine Höhe, für jeden Pixel unter Verwendung der Höhendifferenz zwischen dem Objekt und dem Referenzobjekt an jedem Pixel bei bekannten Maßen des Referenzobjektes bestimmt.
Wie für den Durchschnittsfachmann nun offensichilich sein wird, kann ein solches Verfahren für eine Messung der Höhendifferenz zwischen zwei Objekten (von denen eines die Refe renz ist) verwendet werden. In diesem Fall wird Schritt 110 natürlich nicht ausgeführt.
In manchen Anwendungen kann es vorteilhaft sein, als Referenzobjekt eine ebene Fläche zu verwenden, auf die das zu messende Objekt während der Messung aufgelegt wird.
In manchen Anwendungen kann es vorteilhaft sein, das System 10 mit einem Passsystem zu versehen, um das Anordnen des Objektes und des Referenzobjektes an einer bekannten Position relativ zu der Kamera bzw. den Kameras zu vereinfachen. Tatsächlich kann, da für jeden Pixel ein Vergleich zwischen dem Objekt und dem Referenzobjekt vorgenommen wird, durch ein Passsystem sichergestellt werden, dass einander entsprechende Punkte verglichen werden.
Ein solches Passsystem kann viele Formen haben, darunter Markierungen (indicia) auf einer ebenen Fläche, ein Gestell oder ein in dem Computer implementiertes Softwareprogramm.
Es wird darauf hingewiesen, dass es möglich ist, die Bilder zunächst zu erfassen und erst später zu verarbeiten.
Wie aus der vorliegenden Beschreibung ersichtlich ist, ermöglichen solche Verfahren das Messen des Reliefs eines Objektes unter Verwendung von weißem Licht.
Die vorliegende Erfindung ist zwar anhand eines Beispieles beschrieben worden, in dem kugelförmige Objekte gemessen werden, sie ermöglicht jedoch auch die Untersuchung und Messung von Objekten mit anderen Konfigurationen.
Dasselbe Objekt kann auch als Referenzobjekt dienen, wenn das System 10 zur Untersuchung der Variation des Reliefs eines Objektes über einen Zeitraum verwendet wird.
Alternativ kann das Referenzobjekt durch ein Computermodell des Objektes ersetzt werden, das z.B. per Computer Assisted Design (CAD) generiert wurde und entsprechend dem Aufbau des Systems 10 virtuell angeordnet worden ist.

Claims

Dreidimensionales Bilderfassungssystem, umfassend: eine Muster projizierende Anordnung (11, 11') zum gleichzeitigen Projizieren mindestens zweier phasenverschobener Muster auf ein Objekt (30); wobei jedes projizierte Muster durch Dekomposition eines weißen Lichts oder eines mehrere monochromatische Lichtstrahlen enthaltenden nicht-weißen Lichts in mehrere monochromatische Lichtstrahlen oder in sich nicht überlappende Bandbreiten erzeugt ist; und eine Bildaufnahmevorrichtung (12, 12'), die zum gleichzeitigen Aufnehmen eines Bildes jedes projizierten Musters auf dem Objekt (30) entweder gegenüber der Vielzahl monochromatischer Lichtstrahlen oder gegenüber den sich nicht überlappenden Bandbreiten empfindlich ist; wobei phasenverschobene Versionen des gleichen Musters auf einer gleichen Beobachtungsebene fokussiert sind.
Dreidimensionales Bilderfassungssystem nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der mindestens zwei phasenverschobenen Muster monochromatisch ist.
Dreidimensionales Bilderfassungssystem nach Anspruch 1, wobei die Muster projizierende Anordnung (11, 11') eine semitransparente Platte (24) einschließlich eines durch eine Beleuchtungsanordnung (22) zu beleuchtenden Musters, eines zwischen der semitransparenten Platte und der Beleuchtungsanordnung anzuordnenden Spektralteilers (35) und eines Projektors (28) zum Projizieren der semitransparenten Platte auf das Objekt hat; wobei die Beleuchtungsanordnung eine weiße Lichtquelle (34) hat, welche derart angeordnet ist, dass ihr Licht durch die semitransparente Platte projiziert wird.
Dreidimensionales Bilderfassungssystem nach Anspruch 3, wobei die Beleuchtungsanordnung (22) ferner eine optische Faser und einen Kondensor enthält, um Licht von der weißen Lichtquelle (34) zur semitransparenten Platte (24) zu bringen.
Dreidimensionales Bilderfassungssystem nach Anspruch 3, wobei die semitransparente Platte (24) ein Gitter ist.
Dreidimensionales Bilderfassungssystem nach Anspruch 1, wobei die Muster projizierende Anordnung (11, 11') mindestes zwei Muster projizierende Vorrichtungen und eine reflektierende Anordnung hat; wobei jede Muster projizierende Vorrichtung derart konfiguriert ist, dass sie ein Licht mit einer vorbestimmten Bandbreite durch ein Muster projiziert; und wobei die reflektierende Anordnung derart konfiguriert ist, dass sie die projizierten Muster entlang einer gemeinsamen Einfallsrichtung lenkt.
Dreidimensionales Bilderfassungssystem nach Anspruch 6, wobei mindestens eine der mindestens zwei Muster projizierenden Vorrichtungen eine semitransparente Platte (24) einschließlich eines durch eine Beleuchtungsanordnung (22) zu beleuchtenden Musters und eines Projektors (28) zum Projizieren der Platte (24) auf die reflektierende Anordnung hat; wobei die Beleuchtungsanordnung eine Lichtquelle (34) umfasst, deren Licht eine vorbestimmte Bandbreite hat und derart angeordnet ist, dass es durch die Platte projiziert wird.
Dreidimensionales Bilderfassungssystem nach Anspruch 6, wobei die reflektierende Anordnung einen Spiegel und/oder einen semitransparenten Spiegel hat.
Dreidimensionales Bilderfassungssystem nach Anspruch 7, wobei die semitransparente Platte (24) ein Gitter ist.
Dreidimensionales Bilderfassungssystem nach Anspruch 7, wobei die Muster projizierenden Vorrichtungen (24, 28) relativ zueinander derart angeordnet sind, dass jede den gleichen Abstand von der Platte zum Objekt hat.
Dreidimensionales Bilderfassungssystem nach Anspruch 1, wobei die Bildaufnahmevorrichtung (12, 12') mindestens eine Kamera (46) hat, die empfindlich ist gegenüber der Vielzahl monochromatischer Lichtstrahlen und/oder den sich nicht überlappenden Bandbreiten.
Dreidimensionales Bilderfassungssystem nach Anspruch 11, wobei die Bildaufnahmevorrichtung (12, 12') eine telezentrische Linse (48) hat.
Dreidimensionales Bilderfassungssystem nach Anspruch 1, wobei die Bildaufnahmevorrichtung (12') mindestens zwei Kameras (46) hat, von denen jede entweder empfindlich ist gegenüber der Vielzahl monochromatischer Lichtstrahlen oder gegenüber den sich nicht überlappenden Bandbreiten.
Dreidimensionales Bilderfassungssystem nach Anspruch 11, wobei die Kamera (46) eine aus der Gruppe umfassend eine ladungsgekoppelte (CCD-)Kamera und ein komplementäres Metall-Oxid-Silicium-(CMOS-)Gerät ist.