JP2009544952A - 画像作成センサーを備えた動的画像記録 - Google Patents

Abstract

光学画像記録系を有し、測定対象と上記光学画像記録系の間で相対移動するようになった測定系において、上記画像記録系（３）の焦点（Ｆ）は走査方向に揺動するように設けられ、走査動作での焦点の揺れ動作の重なりによって、焦点（Ｆ）が測定対象（２）の表面にとどまるか対応してカメラチップ（７）に投影された画像がカメラチップ上に止まる画像記録インターバルを生成する。これは好ましくは、測定対象と画像記録系の間の安定し加速しない相対移動の間に起こる。画像エッジのぶれは、比較的長い露出時間とごく並みの照射強度にもかかわらず防がれる。

Description

本発明は、画像記録系を用いて測定対象の表面を光学的に調査するための方法と装置に関する。

画像記録系を用いて測定対象の画像を撮る場合、とりわけ対象を調査するために撮る場合、捕捉画像のぶれを防ぐやり方が取られなければならない。測定対象と画像記録系の間に連続した動きがあるならば、対象のスナップショットを生成するために、フラッシュ照明を用いることができる。しかしながら、相対的にゆっくりとした速度、例えば１０ｍｍ／秒の速度で１／５０００秒の露光時間で既に、正確な測定タスクを実行することがもはや可能でない。フラッシュの継続時間中の相対的な動きは既に２マイクロメータであり、あるいは現在のカメラでほぼ４ピクセルであるため、画像は対応してぶれる。更に、対象がストロボフラッシュで照らされる場合に、捕捉画像を損ねることになる強い光の反射がある。したがって、測定対象と画像記録系の間で非常にゆっくりとした相対速度をもって作動するか、増分動作で作動する必要がある。

測定対象と画像記録系の間の相対移動は、干渉測定がなされる場合に特に妨げである。他方、干渉測定の原理は、できるだけ利用尽くされるべき広い範囲の使用可能性を提供する。
特許文献１は、短い被写界深度のレンズを用いて作動する光学３Ｄ測定プロセスを開示する。レンズは、測定作業中の（Ｚ方向での）測定系の光軸に沿って動かされる焦点面を規定する。この結果として、一連の画像が記録される（画像積み重なりと称する）。最も単純な場合、この画像積み重なりは、対象の表面に対する焦点面の動きが画像捕捉のための動きの間止められることによって、停止焦点面で記録される。代わりに、焦点面が動いて作動されるが、画像記録速度に対する焦点面の移動速度はゆっくりである。画像記録速度を増加するために、画像捕捉中の焦点面の動きが考慮される。

ＤＥ １０ ２００４ ０４７ ９２８ Ａ１

画像記録速度を増加することが可能な測定装置を提供することが、本発明の課題である。更にそれに適した方法を提供することが本発明の課題である。

本発明の結果として、止めることなく測定対象を横切って画像記録系を動かすこと、それゆえに測定対象の表面の画像を記録することが可能となる。これによって測定作業が素早くなり、測定時間が短くなる。画像のぶれ／ぼけが防止される。更に、測定対象又は測定系の移動を繰り返して止めることが不必要となる。即ち、例えば結果として生じる振動のために実用的適用に際して相当な問題となり得る上記移動を加速・停止することが不必要となる。

既述した利点は、画像記録系又は少なくとも一つの質量の少ないコンポーネントに、走査移動に重なり当該走査移動と反対方向の相対移動を与えることで、本発明に従う方法によって達成される。上記相対移動はその都度、画像捕捉の期間中継続する。走査移動の方向と重なりの動きの方向は一致し、それによって走査移動は好ましくは安定して移動であり、重なりの動きは揺れ動作である。重なりは、相対移動の短い停止段階をもたらす。測定対象と画像の間の、あるいは言い換えればカメラチップ上に投影した測定対象の表面の画像とカメラチップの間の相対移動は、画像補足の期間中、零になる。それゆえに画像のぶれ／ぼけはあり得ない。短い画像記録インターバルは生成され、カメラが十分な露出時間を有し且つ弱い若しくはほどほどの照明をもってなおシャープな画像を手に入れる。多くの異なるライティング技術が用いられ得る。ストロボ照明又はフラッシュ照明に使用は限定されない。測定対象の表面上にカメラ若しくはカメラヘッドを物理的に止めることや、測定対象を物理的に止めることはもはや必要ない。カメラチップ上での画像の滞留時間は、画像記録系の光学要素を動かすことによって達成され、その際、当該動きは回転運動、チルト運動又はシフト運動であり、小さな振幅を有するだけである。動かされ得るコンポーネントはミラー、レンズ、プリズム、平行板、グリッド、カメラチップ、カメラケース、カメラキャリア等である。しかしながら、全体としての光学測定系又は測定対象が動かされる測定装置の軸線へ影響を及ぼすことは、必要ない。したがって、本発明に従う方法を実施するために動かされる塊りは最小限に維持される。

原則として、測定対象を動かすことによって走査動作を起動することが可能であり、あるいは画像記録系を動かすことによって走査動作を起動することも可能である。画像記録系自体が相対的にコンパクトで軽量であるならば、例えば画像記録系の画像場（image field）を通して測定対象を単調に動かす一方で、画像記録系自体を揺れ動かすことが可能である。揺れ動作の間、画像記録系は短時間、測定対象とシンクロして動く。シンクロ動作のこれら位相は、仮想上静止画像を記録可能である経時的な画像記録インターバルを表す。

この動きは、測定系が揺れ動くという点で測定系全体に影響を及ぼし得る。揺れの方向は測定対象の移動の方向に対応する。しかしながら、画像記録系の部分のみを揺れ動かすことも可能である。これは画像記録系での加速で誘発される振るえの影響を最小化する。

好ましくは、重なりの動きは、測定対象と画像の間の相対移動が画像記録インターバル中に零であるように定義される。これに関連して、用語「画像」は、画像記録系によって観察される測定対象の領域を意味すると理解される。測定対象と画像の間の相対移動が消えると、カメラチップと投影画像、即ち、カメラチップに投影した測定対象の表面の画像の間の相対移動も消える。

対応する重なりの動きを調整することで画像記録インターバル中の上記相対移動を零に設定する制御するサーボループ（Regelschleife）が備えられていてもよい。更に、走査速度を検知し、画像記録系において影響を受けるコンポーネントの調整速度を始めから対応して特定しておいて、相対速度を自動的に零に設定することが可能である。

重なりの動きは、例えば多面鏡の回転動作等のような均一な動きによって、少なくとも原則的に達成可能である。しかしながら、好ましくは、調整可能なパラメータ（振動数や振幅）を伴った揺れ動作が用いられる。好適な場合、重なりの動きは連続的な第1及び第２の時間誘導（Zeitableitung）を有する。したがって、衝撃や急激な揺さ振りのない動きが試みられて得られる。これに関連して、連続的な第1及び第2の時間誘導を有した曲線はシヌイド／シヌオイド（正弦状）と称される。しかしながら、異なる形状の揺れ動きとすること、例えば対称的な曲線、非対称な曲線、三角曲線、矩形曲線に倣うことも可能である。これとは無関係に、各重なりの動きは好ましくは四つの位相、即ち、画像と測定対象の間で相対速度零の測定位相、画像記録系のコンポーネントを前進速度若しくは通過速度に加速するための加速位相、前進速度で上記コンポーネントが動く位相、及び（画像と測定対象の間で相対速度零で）上記コンポーネントを走査速度に緩める位相にしたがう。或る状況下では、前進速度若しくは通過速度でコンポーネントが動く位相は省略して加速位相から減速位相へ直接移行してもよい。

上記議論に関連して生じる利点は、本発明に係る方法に対してだけではなく、当該方法を実施する対応装置に対しても起こる。画像記録系のコンポーネントの移動のために用いられるアクチュエータは好ましくはピエゾアクチュエータである。当該アクチュエータ自体は、例えば走査速度のような外部パラメータを考慮に入れる制御及び／又は調整装置によって作動させられ得る。

好ましくは、画像記録系は、重なりの動きのために様々な方向を規定する幾つかの、例えば２，３個のアクチュエータを備える。このようにして、焦点面がＺ方向（光軸の方向）、Ｘ方向、又はＹ方奥に動かされ得、空間的な、即ち、３Ｄの走査運動の場合にも、画像は連続して生じる画像記録インターバルのためにカメラチップ上に止められ得る。

発明の追加的な詳細と態様は、図面、明細書あるいは特許請求の範囲から明らかである。図面は本発明の例示的な態様を示す。

測定対象と画像記録系を備えた測定系の概略図である。 走査動作と重なりの動きの速度曲線の時系列進行を示す図である。 時間に対する経路として示された画像とカメラチップの間の結果としての相対移動を示す図である。 光軸に直角な重なりの動きを生成するための画像記録系を有する測定系の態様を示す図である。 本発明に係る測定系の他の概略図である。 本発明に係る測定系の他の形態の概略図である。

図１は、測定対象２の光学調査のための測定系１を示している。当該測定系は、画像記録系３と測定対象のための支持部４とを備えており、これら画像記録系と支持部とは相対的に移動可能である。基本的に、相対移動は３つの空間方向すべてを含み得るものである。本例では、光軸５に沿った相対移動を示す第１の描写に言及している。光軸はカメラの座標系のＷ方向に一致し、本質的に測定対象の支持部４若しくは測定対象２の表面に関して垂直である。カメラヘッドのＵＶＷ座標系は基本的に測定装置のＸＹＺ座標系に依存していない。それにもかかわらず、カメラのＷ軸はしばしば「Ｚ方向」としても示される。しかしながら、本発明は特に対象とカメラの間の動きがＷ方向に対し横向きに起こる場合に用いられ得る。

測定系１は、「画像記録インターバル中に画像記録系と測定対象の光学的な相対移動を、当該移動を物理的に止めることなく短時間ゼロにするために、画像記録系３と測定対象の間の相対移動が付加的に重ねられた動き（重なりの動き）である」本発明の基本概念を実行する。重なりの動きは直線運動であることも、旋回運動であることもある。

画像記録系３は、カメラチップ７を備えたカメラ６を有する。カメラチップ上には測定対象３の表面の画像が投影される。そこで前記画像は、画像処理装置に出力される電気信号に変換される。これは、画像補足の開始と終わりによって夫々規定され得る経時的画像記録インターバルの間になされる。このために、カメラ６にシャッタが設けられていてもよい。しかしながら、シャッタを用いずに画像記録プロセスの開始と終わりを電子的に制御することも可能である。

更に画像記録系３は、例えば焦点面９を規定するレンズ８を有する。光軸５に沿ってＷ方向にレンズ８を摺動することによって、焦点面９の位置は変更可能である。例えばＷ方向に数マイクロメートルだけ焦点面９の変位を実行するために、ピエゾドライブを設けていてもよい。それに伴って、Ｗ-重なりの動きはＷ-走査動作に重なり合わされ得、それによってレンズ８全体は、カメラ６とともに、あるいはカメラ６なしに、前記重なりの動き中に揺動している。したがって、ＵＶＷ座標系のＵ方向又はＶ方向において走査されるならば、Ｕ方向又はＶ方向において僅かなインターバルだけ投影画像を移動することが可能である。

代わりに、焦点面９が特定量だけ、例えば数マイクロメートルだけＵ方向、Ｖ方向又はＷ方向に変位可能であって焦点面９が（Ｗ方向に走査するときに）図１にしたがって位置９’に達するようにレンズ８を構成することが可能である。これは例えばレンズ８の単一レンズ又は他の光学要素の目標調整又は再位置決めによってなされ得る。またこれはライン１０か介して作動させられるピエゾアクチュエータによって成し遂げられ得る。

図１が、走査方向がＷ方向に一致する画像記録系３の実施形態を示す一方、図３は走査方向がＷ方向に対し横向きの方向、例えばＵ方向で定義される画像記録系の実施形態を示す。画像記録系３と測定対象の支持部４又は測定対象２はそれゆえに光軸５に対し横向きの方向に相互に移動させられる。走査方向は矢印１１によって示されている。レンズ８とカメラ６に加えて、光学要素、例えばカメラチップ７上に生成された測定対象の画像をＵ方向又はＶ方向に、即ちカメラチップ７の表面に平行にシフトすべく配された要素が画像記録系の光路に設けられている。これは例えば矢印によって示されるように平行板１２を回転又は旋回することによって成し遂げられ得る。この動きを達成するために、アクチュエータ１３、例えばピエゾアクチュエータが設けられ得る。

測定系は、図１に係るコンポーネントも、図３に係るコンポーネントも有し得る。したがって、直線的な走査動作又は曲線的な走査動作に重なりの動きが重なり得、その方向は走査動作の経路の各ポイントで走査動作の方向と一致する。重なりの動きの個々のコンポーネントはｕ，ｖ，ｗであり、走査動作のコンポーネントｕ，ｖ，ｗと一致する。

図４は、本発明に係る測定系１の別のアスペクトを示す。画像記録系３は処理装置１４に接続している。前記処理装置は例えば画像処理装置として構成され、カメラチップ７によって供給された画像を分析する。更に、焦点面９をＵ方向、Ｖ方向又はＷ方向に変位するために、例えばライン１０を介してアクチュエータ１３又は他のアクチュエータを制御してもよい。その際、Ｕ方向又はＶ方向における変位は、カメラチップ７の表面に平行な測定対象の画像の変位に同義であると理解される。

更に、処理装置１４は、測定対象の支持部４をＵ方向、Ｖ方向又はＷ方向にシフトするアクチュエータ装置１５を制御してもよい。したがって、アクチュエータ１５は例えば測定装置の２つ以上の軸に関連し得る。

この限りで記載した画像記録系３は以下のように動作する：
画像記録系３は測定対象２の表面を走査するようになっている。このために、画像記録系３と測定対象の支持部４とは相対的に例えばＷ方向（図１）又はＵ方向及び／又はＶ方向（図３）に動かされる。その際、そうすることでの経路が図２ａに上方に傾斜した直線Ｉによって示される。これは、例えば図２にｔ軸に平行な直線として示された安定して加速しない動きを示す。この動きに、ライン１０を介してアクチュエータ１３又はレンズ８の対応するアクチュエータに入力された動きが重なる。この重なった動きは図２に示される。この動きは位相IIを含み、ここでは示された重なりの動きが零とは異なる値を有する。これら位相IIの間に位相IIIがあり、そこでは重なりの動きが逆の値を有する。結果として生じる振動は対称的である必要はない。しかしながら、それらの正の半波を超える積分はそれらの負の半波を超える積分に等しい。

焦点面９又は画像の位置に対する重なりの動きＶからもたらされる曲線IVは、零速度の位相を繰り返し生成する動きに重なる。図２ａにおいて、これはステップ機能（関数）に対応する。それゆえカメラ６の視点から画像Ｂは図２の下側で示されたように、画像記録インターバルＶの間で静止しており、言い換えれば速度が零である。処理装置１４は、画像が画像記録インターバルＶにて静止するように、即ち、この区間Ｖ中の重なり速度が走査速度のこの区間を補償するように、特に位相IIにおいて速度Ｖを制御するように調整することができる。

重なりの動きは四つの位相において各周期で生じる。第１位相ａにおいて画像記録系は走査方向にて時間ｔ_Ｐの間、少なくとも仮想上光学的に負の走査速度Ｖ_Ｍｅｓｓで動かされる。画像記録がなされ得る。

位相ｂにおいて画像記録系は前進速度Ｖ_Ｖまで時間ｔ_２の間（仮想上）正弦曲線的な（sinuidenfoermig/sinuoidal）加速で動く。第３位相において、画像記録系は走査方向に時間ｔ_Ｐの間、仮想上速度Ｖ_Ｖで動く（通過操作）。第４位相ｄにおいて画像記録系は仮想上正弦曲線的な加速で動き、そこで走査方向にパスＴＫだけずらされる。再び、画像記録インターバルが開始され得る。全ての加速・減速プロセスに際して正弦曲線的な動きは、速度Ｖの引き出し、即ち、Ｖ，Ｖ’，Ｖ”，Ｖ'''という特性を呈し、スキップ（省き）を含まない。この条件は全てのサイン関数とコサイン関数に関して満たされる。加速・減速位相は互いに対称的であり得、シンプルでクリアな関係を生み出す。これは次の例によって説明される：
走査速度Ｖ_Ｍｅｓｓ＝１ ｍｍ／秒
画像記録頻度Ｆ＝１００・１／秒、Ω＝２πＦ
走査頻度の揺れ動き期間ＴＫ＝１／Ｆ、ＴＫ＝０．０１秒

正弦曲線的サイクルＳＦは加速又は減速の傾きを決定する。先ず、それぞれ加速と減速のランプと曲線とが同じであると単純に仮定される：
正弦曲線的サイクルＳＦ＝２００・１／秒、ωＳ＝２πＳＦ
正弦曲線的サイクルの揺れ動き頻度ＴＳ＝１／ＳＦ、ＴＳ＝５・１０^−３／秒
ＴＰは画像記録時間としてもたらされるＴＰ＝ＴＫ−ＴＳ／２、ＴＰ＝２・１０^−３秒
正弦曲線的サイクルの振幅ＡＯ＝Ｖ_Ｍｅｓｓ

しかしながら、加速ランプを減速ランプよりも速くすることが目的に適っている。なぜならば走査プロセスは減速ランプより後に始まるからである。このようにしてより多くの時間が走査プロセスに、即ち、画像捕捉のために使用される。

図５は、本発明の僅かに変更した実施形態を示す。この実施形態では、測定系３は、少なくとも旋回成分Ｕｅ（ウーウムラウト）、場合によっては更に（測定対象に向かい、また当該対象から離れる）直線成分Ｕｅ２を遂行する重なりの動きを実行する。測定対象が基本的に測定系３に対して横の方向に動かされる場合、カメラ６は（補償動作として振れる旋回運動Ｕｅ１のために）、図２によって示され夫々短い画像記録インターバルに対し上記したように、カメラ画像を静止させる。

完全性の目的のために、本発明に係る原理はまた、測定系３が走査動作を遂行し測定対象が重なりの動きを遂行するという点で実行可能であることに言及されなければならない。測定対象が軽量である場合、測定対象に走査動作も重なりの動きも与えることも可能である。更に測定系に走査動作と重なりの動きを与えて、測定対象を静止のままとしておくことが可能である。

光学画像記録系を有する測定系で、測定対象と画像記録系の間で相対的に動く場合において、（焦点の揺れ動き運動の走査動作との重なりによって）画像記録系３の焦点Ｆを測定対象２の表面上に静止する画像記録インターバルを生成するために、当該焦点Ｆを走査方向に揺れ動かすことが想定される。上記画像記録インターバルでは、対応してカメラチップ７に投影された画像がカメラチップ上で静止する。これは好ましくは、測定対象と画像記録系の間での安定して加速しない相対移動の間に起こる。画像エッジのぶれ／ぼけは、比較的長い露出時間とごく並みの照射強度にもかかわらず防がれる。

Claims (21)

1. 画像を記録するために画像記録系（３）を用いて測定対象の表面を光学的に調査するための方法であって：
   測定対象と画像記録系とが一つの走査速度で一つの走査方向にて相対的に動くこと、
   測定対象（２）に対する捕捉画像の位置を規定する画像記録系（３）の少なくとも一つのコンポーネント（８，１２）か、測定対象（２）が、画像記録インターバル（Ｖ）を生成するために、重なりの動きを与えられ、測定対象（２）と画像の間の相対運動の速度が少なくとも短時間、走査速度よりもはっきりと低いか、零であること
   を方法特徴として備える、方法。
2. 重なりの動きが、交互に、走査方向と同じ運動方向と、走査方向と逆の運動方向とを呈することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 重なりの動きが、画像記録系（３）の嵩張りの小さなコンポーネント（８，１２）に重ねられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. コンポーネントがミラー、及び／又はレンズ、及び／又はプリズム、及び／又は平行板、及び／又はグリッド、及び／又はカメラであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 測定対象が測定中に静止状態を維持すること、及び画像記録系が走査運動と重なりの動きとをもたらすことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 測定対象が走査運動を遂行するために測定中に動かされること、及び画像記録系又はそのコンポーネントが重なりの動きを遂行することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 画像記録インターバル中の相対運動の速度が検知されること、及び画像記録インターバル中の結果として生じる相対運動が正確に零であるように制御部を介して続くように重なりの動きが案内されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 走査運動の速度が検知され、重なりの動きのための所望値として用いられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. 重なりの動きが揺れ動きであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
10. 重なりの動きが、連続的な第1及び第２の時間誘導を示す曲線にしたがうことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 揺れ動きが、対称曲線、非対称曲線、正弦曲線、三角曲線又は矩形曲線にしたがうことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
12. 重なりの動きが少なくとも四つの位相、即ち、
    ａ．画像と測定対象の間で相対速度零の、画像記録インターバル生成のための測定位相、
    ｂ．コンポーネントを前進速度に加速するための加速位相、
    ｃ．前進速度で上記コンポーネントを動かす位相、
    ｄ．上記コンポーネントを走査速度に緩める位相
    を備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
13. 各画像記録インターバル中に夫々一枚の画像が記録されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
14. 記録された画像がトータル画像に結合されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
15. 画像を記録するために画像記録系（３）を用いて測定対象（２）の表面を光学的に調査するための装置（１）であって：
    一つの走査速度で一つの走査方向にて測定対象（２）と画像記録系（３）の間の相対的な動きを生成するための機器（１５）と、
    測定対象（２）か画像記録系（３）の少なくとも一つのコンポーネント（１２）のための重なりの動きを生成するための機器（１３）と
    を備えて構成される、装置にして、上記重なりの動きは、画像記録インターバル（Ｖ）生成のために測定対象（２）に対する記録画像の位置を規定し、測定対象（２）と画像の間の相対運動の速度が少なくとも短い間、走査速度よりも明らかに低いか零である、装置。
16. 重なりの動きを与えられる画像記録系（３）のコンポーネントが全画像記録系（３）であることを特徴とする、請求項１５の記載の装置。
17. 重なりの動きを与えられる画像記録系（３）のコンポーネント（１２）が、画像記録系（３）の嵩張りの小さなコンポーネントであることを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
18. コンポーネントが、例えばミラー、及び／又はレンズ、及び／又はプリズム、及び／又は平行板、及び／又はグリッド、及び／又はカメラのような画像シフト機器であることを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
19. コンポーネント（１２）を動かすために、少なくとも一つのアクチュエータ（１３）が設けられていることを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
20. コンポーネント（８，１２）を動かすために、少なくとも二つのアクチュエータが設けられ、それらで画像が相互に無関係な複数の方向で測定対象に対してシフトされ得ることを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
21. アクチュエータがピエゾアクチュエータであることを特徴とする、請求項１９又は２０に記載の装置。

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