WO2003046472A2 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung der gestalt eines dreidimensionalen gegenstandes - Google Patents

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WO2003046472A2
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Ralf Menzel
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Callidus Precision Systems Gmbh
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    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for detecting the shape of a three-dimensional object.
  • a wide variety of mechanical and optical methods are known for the shape detection of objects.
  • the measurement object is typically scanned point by point with the aid of a sensor, and the three-dimensional shape of the measurement object is thus determined by stringing the point-by-point measurement results.
  • the necessarily mechanical contact of the measurement object is disadvantageous; on the other hand, the very long measuring time required for high accuracy.
  • a great advantage of the optical method is that the measurement takes place without contact and thus without mechanical influencing of the object. It can be used to rule out deformations of the object by the measurement itself. This is particularly advantageous in the case of optical shape detection methods in which the surface of the object is deformable, as is the case, for example, with elastic materials.
  • contactless shape detection method Another advantage of the contactless shape detection method is that a very large number of object points, that is, small area elements, can be detected simultaneously. This leads to a significantly shorter measurement time compared to the mechanically scanning method. In addition, structures that contain height levels can also be measured, which often leads to difficulties with mechanically probing methods.
  • optical shape detection methods are usually based on triangulation or interferometric techniques. - '
  • a light spot is projected onto the surface of the object to be measured and observed from a direction deviating from the lighting device.
  • the coordinates of the illuminated point can be calculated from knowledge of the orientation of the projection beam in space and the direction from which the observed point is perceived.
  • the procedure is relatively precise and clear.
  • the surface of the object to be measured has to be scanned point by point, it would take a long time to acquire the shape of the object completely. This is particularly disadvantageous because no moving or changing objects can be spatially detected by such a method.
  • Advanced techniques based on triangulation are the light section technique and the stripe projection.
  • the line is observed or recorded by a camera from a direction deviating from the direction of illumination.
  • the spatial coordinates of the Illuminated points are obtained in the same way as in the triangulation method described above.
  • the light-section technique is faster than point-by-point triangulation, but it is still slower than other techniques that can cover a larger area at once.
  • the stripe projection is a further development of the light section technique, in which several lines are projected onto the surface of the object to be measured at the same time.
  • the intensity of these lines varies periodically in the lateral direction and makes the individual lines ⁇ for the observation camera distinguishable.
  • the method is faster than the light section technique, since a larger surface area can be recorded at once.
  • lines of the same intensity cannot be distinguished.
  • Interferometric methods such as methods of white light interferometry, are often used for more precise measurements.
  • a disadvantage of all of the above-mentioned methods is a considerable measurement time, which typically can take many seconds, but can also take many minutes for higher accuracy requirements.
  • the minimum achievable measurement time is not limited by the speed of the evaluation algorithms, but by the large number of necessary optical measurements.
  • This object is achieved according to the invention by the features in the characterizing part of claim 1 (process claim) and the features in the characterizing part of claim 18 (device claim) in cooperation with the features in the preamble. Appropriate configurations are contained in the subclaims.
  • a particular advantage of the invention is that a three-dimensional optical shape detection with very short measuring times of a few milliseconds or even sub-picoseconds can be achieved with the device according to the invention or the method according to the invention.
  • the transit times of the light scattered and / or reflected and / or emitted light from the object to be measured are encoded as light intensity modulations and the light intensity or the light intensity distribution is measured.
  • the shape of the three-dimensional object is determined from the measured values via the light intensity distribution. It is particularly advantageous that the object to be measured is additionally irradiated with a suitable light source before the light propagation times are coded as light intensity modulations and the measurement of the light intensity or the light intensity distribution.
  • a pulsed laser light source is preferably used for this.
  • the light propagation times are coded as light intensity modulations by at least one converter with a time-dependent change in absorption, reflection, transmission and / or polarization of the light. This has the effect that the light with a longer light path, which later passes through the converter, experiences a different absorption or transmission, reflection and / or polarization through the converter and thus leads to a different light intensity distribution. From this light intensity distribution, the light propagation times can getting closed.
  • the shape of the three-dimensional object can then be inferred from the light propagation times. For measurement objects that reflect the illuminating light in different ways, for example through different 5 degrees of reflection on the three-dimensional surface, this reflection distribution can be detected with the aid of a second beam path, which can be realized by a beam splitter.
  • the three-dimensional height or area profile of the object then results as
  • the converter can preferably be a nonlinear absorber based on dyes, a dye solution
  • the converter can be an optical gate, e.g. a Kerr cell or
  • the device according to the invention can be a mirror and / or a partially transparent mirror, optical imaging systems
  • the measurement object 10 is illuminated by a femtosecond laser 14.
  • the light from the laser 14 is coupled out at the beam splitter 16 and directed to the measurement object 10.
  • Another part of the radiation passes this beam splitter 16 and is directed with a suitable delay via the highly reflecting mirror 20 onto the converter 12 used for intensity coding.
  • the converter 12 is a nonlinear, fast-switching optical filter. Such a filter is available, for example, from the RG series (from Schott, Germany).
  • the light scattered on the measurement object 10 is guided with the aid of the lens system 18 through the excited and thus bleached volume of the nonlinear absorber (converter 12).
  • the scattered light of the measurement object 10 is imaged on the surface of a CCD camera 26 by means of a lens system 22.
  • the light scattered on the measurement object 10 can be observed with the CCD camera 26.
  • This light is modulated in its intensity by the nonlinear characteristic of the nonlinear absorber (converter 12) depending on the propagation time of the light.
  • the converter 12 used results in a logarithmic return time of the absorption, so that the intensity is coded with this logarithmic scale as a function of the delay time and thus of the shape of the measurement object.
  • the resulting image on the CCD camera 26 thus results from the intensity distribution of this light, which is intensity-coded by the nonlinear absorber (converter 12).
  • the first measurement object reflects the illuminating light in different ways, for example due to different degrees of reflection on the three-dimensional surface
  • this reflection is carried out with the aid of a second CCD camera 28 behind the beam splitter 32, the highly reflective mirror 30 and the lens system 24 or by a second exposure the camera 26 without a converter (for example by removing the converter 12 or a suitable beam redirection).
  • the height profile of the measurement object 10 then results from the measured intensity behind the converter 12, which was measured with the CCD camera 26, divided by this second intensity distribution, which was also measured with the CCD camera 26 after removal of the converter 12.
  • the second intensity distribution (without the light passing through the converter 12) can be measured with a second CCD camera 28.
  • the normalization of the height profile results after logarithmization and calibration of the intensity coding as a function of the life span of the bleaching in a nonlinear absorber (converter 12).
  • 2 shows a photographic image of a first measurement object. It is a stopper made of Teflon, as used for cuvettes.
  • This plug has a real expansion of approx. 10 mm.
  • 3 shows a height-contour profile of the first measurement object, as can be calculated after a measurement using the method according to the invention.
  • the scaling of this height contour profile does not yet correspond to the real values.
  • the real total expansion in the x direction is approx. 10 mm and in the y direction approx. 7.5 mm.
  • the plug can only be measured up to its diameter from the perspective shown in FIG. 2. The background surrounding it is caused by the noise of the CCD camera.
  • FIG. 4 shows a coded gray image , measured intensity distribution of the first measurement object.
  • a particular advantage of the method according to the invention is that above all rapidly changing objects with time resolutions in the sub-nanosecond range, repetition rates in the kilohertz range and relative accuracies of better than 1/1000 can be measured.
  • the converters used are triggered electrically for measurement or optically for higher accuracy.
  • the accuracy requirements are therefore not very high because measurements can be made on the flank of the transmission change effect (or reflection / polarization change effect) and there is therefore always a predetermined time interval available for the measurement. It is fundamentally possible to use both the rising edge and the falling edge of the transmission change effect (or reflection / polarization change effect). In the present exemplary embodiments corresponding to FIGS. 2 to 7, the falling edge was used.
  • a non-linear absorber with a known return time of the absorption is used. This absorber is bleached out by a corresponding excitation light, preferably a pulse laser, the excitation light being synchronized with the measurement light.
  • Such a nonlinear absorber can be based on fast-switching optical filters, such as are available, for example, from the RG series (from Schott, Germany), using suitable dyes, such as triphenylmethane dyes, or other suitable ones
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • a logarithmic characteristic curve is particularly suitable for evaluating the intensity distribution, since this camera can make good use of the characteristic curve of the nonlinear absorber.
  • the measurement accuracy which is limited due to irregularities in the lighting or in the transmission profile of the converter, can be increased considerably by using reference channels or reference measurements. Furthermore, in order to increase the measuring accuracy, it is intended to use different converters simultaneously in different measuring channels or in succession. Suitable devices (for example resonators) enable multiple activation of faster converters during the activation of slower converters. This enables a very high measuring accuracy to be achieved for a large (extended) measuring range.
  • the measurement results of different measurements from different views can be combined and the mathematical description of the three-dimensional measurement object can be converted into a CAD format, for example.
  • gates can additionally be introduced into the measuring arrangement, so that the three-dimensional shape detection takes place only for a predetermined depth range.
  • the camera for intensity measurement can be operated in binding mode or replaced by a linear line or a PIN diode. By evaluating only one pixel, distance measurements can be carried out.
  • FIG. 5 shows a photographic image of a second measurement object. It is a combination of an inner area of a CD case, via which the CD can be locked, and a hose olive behind it.
  • FIG. 6 shows a height-contour profile of the second measurement object, as can be calculated after a measurement using the method according to the invention.
  • the different height levels of the second measurement object can be clearly seen in this figure.
  • the brackets can only be measured from the front, ie not in their depth dimension, using only one measurement fixture according to FIG. 6. Therefore, the brackets of the CD case appear in Fig. 6 as extended in the Z direction (depth).
  • Another The effect is the non-measuring ability in this area caused by the shadow of a staple on the olive.
  • a cutout appears in the three - dimensional contour of the olive lying behind the CD case, which does not correspond to the real conditions. This effect can of course be eliminated by suitable lighting. In this example, however, it serves to illustrate the method according to the invention.
  • the quality of the measurement process can be significantly increased by using higher quality components. From the available measurements it can be estimated that an accuracy of less than 10 ⁇ can be achieved for the depth measurement of objects with an extent in the centimeter range.
  • the speed of successive measurements is only determined by the speed of the data evaluation, so that a real-time measurement of three-dimensionally rapidly changing objects can be realized with sufficient computing power.
  • the above-mentioned advantages enable the method according to the invention to open up a large number of fields of application, such as, for example, measuring very quickly moving parts such as turbines or very fast quality control, for example in microelectronics, in particular for chips, DVDs or CDs. Furthermore, a measurement of transparent materials possible, such as the quality control of optical glasses or the measurement of flow processes of liquids and gases.
  • the method according to the invention also allows the time sequence of the intensity of an object distributed over the cross section to be measured. In this way, for example, a quality control for the radiation profile of a laser can take place.
  • Measuring object converter pulse laser beam splitter lens system highly reflective mirror lens system lens system CCD camera CCD camera highly reflective mirror beam splitter

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Abstract

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur dreidimensionalen optischen Formerfassung anzugeben, welches sehr kurze Messzeiten, insbesondere deutlich kürzere Messzeiten als die bekannten Verfahren nach dem Stand der Technik ermöglicht. Dadurch soll unter anderem die dreidimensionale Formerfassung sich schnell bewegender oder schnell verändernder Messobjekte möglich sein. Dazu werden die Laufzeiten des vom zu vermessenden Objekt gestreuten und/oder reflektierten und/oder abgestrahlten Lichts als Lichtintensitätsmodulationen kodiert und es wird die Lichtintensität bzw. die Lichtintensitätsverteilung gemessen. Aus den Messwerten über die Lichtintensitätsverteilung wird die Gestalt des dreidimensionalen Objektes ermittelt.

Description

Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der Gestalt eines dreidimensionalen Gegenstandes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der Gestalt eines dreidimensionalen Gegenstandes .
In vielen Bereichen der Industrieproduktion und insbesondere der Qualitätskontrolle werden Verfahren zur Formerfassung von Objekten verwendet'. Die" geometrischen Daten des Objekts werden mit Hilfe von geeigneten Meßeinrichtungen in numerische Daten auf einem Computer umgewandelt . Die Kontrolle von Maßhaltigkeit und anderen Parametern kann danach durch ein Programm erfolgen.
Zur Formerfassung von Objekten sind unterschiedlichste mechanische und optische Verfahren bekannt . Bei mechanischen Verfahren wird das Messobjekt typischerweise unter Zuhilfenahme eines Sensors punktweise abgetastet und so durch eine Aneinanderreihung der punktweisen Messergebnisse die dreidimensionale Form des Messobjektes bestimmt. Nachteilhaft ist einerseits die notwendigerweise mechanische Berührung des Messobjektes; andererseits die für hohe Genauigkeiten erforderlich sehr lange Messzeit. Ein großer Vorteil der optischen Verfahren besteht darin, daß die Messung berührungslos und damit ohne mechanische Beeinflussung des Objektes abläuft. Es können damit Verformungen des Objekts durch die Messung selbst ausgeschlossen werden. Insbesondere ist dies bei optischen Formerfassungsverfahren von Vorteil, bei denen die Oberfläche des Gegenstandes verformbar ist, wie dies beispielsweise bei elastischen Materialien der Fall ist. Ein weiterer Vorteil bei den berührungslos arbeitenden Formerfassungsverfahren besteht darin, daß eine sehr große Anzahl von Objektpunkten, also Kleinflächenelementen gleichzeitig erfaßt werden kann. Dies führt zu einer wesentlich geringeren Meßzeit im Vergleich zu den mechanisch abtastenden Verfahren. Darüber hinaus sind auch Strukturen, die Höhenstufen enthalten, meßbar, was bei mechanisch tastenden Verfahren oft zu Schwierigkeiten führt .
Bekannte optische Formerfassungsverfahren basieren in der Regel auf Triangulations- oder interferometrischen Techniken. - '
Bei einem Triangulationsverfahren wird ein Lichtpunkt auf die Oberfläche des zu vermessenden Objekts projiziert und aus einer von der Beleuchtungseinrichtung abweichenden Richtung beobachtet . Die Koordinaten des beleuchteten Punktes können aus der Kenntnis der Orientierung des Projektionsstrahls im Raum und der Richtung, aus welcher der beobachtete Punkt wahrgenommen wird, berechnet werden. Das Verfahren ist relativ genau und eindeutig. Da die Oberfläche des zu vermessenden Gegenstandes aber Punkt für Punkt abgetastet werden muß,, würde eine vollständige Formerfassung des Objekts viel Zeit benötigen. Dies ist insbesondere deshalb nachteilhaft, da durch ein solches Verfahren keine sich bewegenden oder sich verändernden Objekte räumlich erfaßt werden können. Weiterentwickelte, auf der Triangulation beruhende Verfahren sind die Lichtschnitt-Technik und die Streifenprojektion.
Bei der Lichtschnitt-Technik wird anstatt eines einzelnen
Punktes eine Linie auf die Oberfläche des zu vermessenden
Gegenstandes projiziert. Die Linie wird aus einer von der Beleuchtungsrichtung abweichenden Richtung von einer Kamera beobachtet bzw. aufgezeichnet. Die Raumkoordinaten der beleuchteten Punkte werden in gleicher Weise wie bei dem oben beschriebenen Triangulationsverfahren gewonnen. Das Verfahren der Lichtschnitt-Technik ist zwar schneller als die punktweise Triangulation, aber immer noch langsamer als andere Verfahren, die eine größere Fläche auf einmal erfassen können.
Bei der Streifenprojektion handelt es sich um eine Weiterentwicklung der Lichtschnitt-Technik, bei der mehrere Linien gleichzeitig auf die Oberfläche des zu vermessenden Gegenstandes projiziert werden. Die Intensität dieser Linien variiert periodisch in lateraler Richtung und macht die einzelnen^ Linien für die Beobachtungskamera unterscheidbar. Das Verfahren ist zwar schneller als die Lichtschnitt-Technik, da ein größerer Oberflächenbereich auf einmal erfaßt werden kann. Linien gleicher Intensität sind jedoch nicht unterscheidbar. Dadurch geht die Eindeutigkeit der Messung zumindest teilweise verloren. Für genauere Messungen werden häufig interferometrische Verfahren, z.B. Methoden der Weißlichtinterferometrie eingesetzt. Nachteilhaft für alle vorgenannten Verfahren ist jedoch eine erhebliche Messzeit, die typischerweise viele Sekunden, aber auch bei höheren Genauigkeitsanforderungen viele Minuten dauern kann. Dabei wird die minimal erreichbare Messzeit nicht durch die Geschwindigkeit der Auswerte-Algorithmen, sondern durch die Vielzahl der notwendigen optischen Messungen begrenzt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur dreidimensionalen optischen Formerfassung anzugeben, welches sehr kurze Meßzeiten, insbesondere deutlich kürzere Meßzeiten als die bekannten Verfahren nach dem Stand der Technik ermöglicht. Dadurch soll unter anderem die dreidimensionale Formerfassung sich schnell bewegender oder schnell verändernder Meßobjekte möglich sein. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 (Verfahrensanspruch) und die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 18 (Vorrichtungsanspruch) im Zusammenwirken mit den Merkmalen im Oberbegriff . Zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren eine dreidimensionale optische Formerfassung bei sehr kurzen Meßzeiten von wenigen Millisekunden oder sogar Sub-Picosekunden realisiert werden kann. Dazu werden die Laufzeiten des vom zu vermessenden Objekt gestreuten und/oder reflektierten und/oder abgestrahlten Lichts als Lichtintensitätsmodulationen kodiert und es wird die Lichtintensität bzw. die Lichtintensitatsverteilung gemessen. Aus den Messwerten über die Lichtintensitatsverteilung wird die Gestalt des dreidimensionalen Gegenstandes/Objektes ermittelt. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, daß das zu vermessende Objekt vor der Kodierung der Lichtlaufzeiten als Lichtintensitätsmodulationen und der Messung der Lichtintensität bzw. der Lichtintensitatsverteilung zusätzlich mit einer geeigneten Lichtquelle bestrahlt wird. Vorzugsweise wird hierzu eine gepulste Laserlichtquelle verwendet. Die Kodierung der Lichtlaufzeiten als Lichtintensitätsmodulationen erfolgt durch mindestens einen Konverter mit einer zeitabhängigen Änderung von Absorption, Reflexion, Transmission und/oder Polarisation des Lichts. Hierdurch wird bewirkt, daß das Licht mit einem längeren Lichtweg, welches den Konverter später passiert, eine andere Absorption bzw. Transmission, Reflexion und/oder Polarisation durch den Konverter erfährt und insofern zu einer anderen Lichtintensitatsverteilung führt. Aus dieser Lichtintensitatsverteilung kann auf die Lichtlaufzeiten geschlossen werden. Aus den Lichtlaufzeiten kann dann auf die Gestalt des dreidimensionalen Objektes geschlossen werden. Für Meßobjekte, die das Beleuchtungslicht in verschiedener Weise reflektieren, z.B. durch verschiedene 5 Reflexionsgrade auf der dreidimensionalen Oberfläche, kann diese Reflexionsverteilung mit Hilfe eines zweiten Strahlengangs, welcher durch einen Strahlteiler realisiert werden kann, erfaßt werden. Das dreidimensionale Höhenoder Flächenprofil des Objektes ergibt sich dann als
10 (dimensionslose) Verteilung aus der gemessenen Intensität hinter dem Konverter und der Intensitätsverteilung des
Strahlengangs ohne Konverter, die mit geeigneten
•■■ ' mathematischen ' Operationen (z.B. '" Division) ' verknüpft- werden. Aus dieser Verteilung können die Lichtlaufzeiten
15 und damit die dreidimensionale Form des zu vermessenden Objektes ermittelt werden.
Der Konverter kann vorzugsweise ein nichtlinearer Absorber auf Basis von Farbstoffen, einer Farbstofflösung, ein
20 optischer Filter und/oder ein Halbleiterschalter sein. Als Farbstoff wird in einer bevorzugten Ausführungsvariante ein Triphenylmethan-Farbstoff verwendet. Der Halbleiterschalter weist vorzugsweise eine GaAs-Struktur auf. Weiterhin kann der Konverter ein optisches Tor, z.B. eine Kerr-Zelle oder
25 eine Pockels-Zelle sein. Zur Messung der Lichtintensität wird in einer bevorzugten Ausführungsvariante eine CCD- Kamera oder eine CMOS-Kamera verwendet. Zusätzlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Spiegel und/oder einen teildurchlässigen Spiegel, optische Abbildungssysteme
30 und/oder optische Lichttore aufweisen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von zumindest teilweise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen Formerfassung,
Fig. 2 eine photographische Abbildung eines ersten Meß- Objektes,
Fig. 3 ein errechnetes Hδhenkonturprofil des ersten Meßobjektes nach Vermessung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Fig. 4 eine als Graubild kodierte gemessene Intensitätsverteilung des ersten Meßobjektes,
Fig. 5 eine photographische Abbildung eines zweiten Meßobjektes,
Fig. 6 ein errechnetes Höhenkonturprofil des zweiten Meßobjektes nach Vermessung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Fig. 7 eine als Graubild kodierte gemessene Intensitätsverteilung des zweiten Meßobjektes.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen, dreidimensionalen Formerfassung mit zwei Messkanälen. Das Meßobjekt 10 wird über einen Femtosekunden-Laser 14 beleuchtet . Das Licht des Lasers 14 wird dabei am Strahlteiler 16 ausgekoppelt und zum Meßobjekt 10 geleitet. Ein anderer Teil der Strahlung passiert diesen Strahlteiler 16 und wird mit einer geeigne- ten Verzögerung über den hochreflektierenden Spiegel 20 auf den zur Intensitätskodierung genutzten Konverter 12 gelenkt. Beim Konverter 12 handelt es sich um einen nichtlinearen, schnell schaltenden optischen Filter. Ein solcher Filter ist zum Beispiel aus der RG-Serie (Firma Schott, Deutschland) verfügbar. Das an dem Meßobjekt 10 gestreute Licht wird mit Hilfe des Linsensystems 18 durch das angeregte .und damit ausgebleichte Volumen des nichtlinearen Absorbers (Konverter 12) geführt. Nach diesem Konverter 12 wird das Streulicht des Meßobjektes 10 mittels eines Linsensystems 22 auf die Oberfläche einer CCD-Kamera 26 abgebildet. Im Ergebnis kann so mit der CCD-Kamera 26 das an dem Meßobjekt 10 gestreute Licht beobachtet werden. Dieses Licht wird durch die nichtlineare Kennlinie des nichtlinearen Absorbers (Konverter 12) in Abhängigkeit von der Laufzeit des Lichts in seiner Intensität moduliert. Beim verwendeten Konverter 12 (RG-Filter) ergibt sich eine logarithmische Rückkehrzeit der Absorption, so daß die Intensi- tat mit dieser logarithmischen Skala in Abhängigkeit von der Verzögerungszeit und damit von der Meßobjektform kodiert wird. Das entstehende Bild auf der CCD-Kamera 26 ergibt sich somit aus der Intensitätsverteilung dieses durch den nichtlinearen Absorber (Konverter 12) intensitätsko- dierten Lichts. Da das erste Meßobjekt das Beleuchtungslicht in verschiedener Weise reflektiert, z.B. durch verschiedene Reflexionsgrade auf der dreidimensionalen Oberfläche, wird diese Reflexion mit Hilfe einer zweiten CCD - Kamera 28 hinter dem Strahlteiler 32, dem hochreflektiven Spiegel 30 und dem Linsensystem 24 oder durch eine zweite Belichtung mit der Kamera 26 ohne Konverter (zum Beispiel durch Entfernen des Konverters 12 oder eine geeignete Strahlumleitung) erfaßt. Das Höhenprofil des Meßobjekts 10 ergibt sich dann aus der gemessenen Intensität hinter dem Konverter 12, welche mit der CCD - Kamera 26 gemessen wurde, geteilt durch diese zweite Intensitätsverteilung, welche ebenfalls mit der CCD - Kamera 26 nach Entfernen des Konverters 12 gemessen wurde. Alternativ kann die zweite Intensitätsverteilung (ohne Durchgang des Lichts durch den Konverter 12) mit einer zweiten CCD - Kamera 28 gemessen werden. Die Normierung des Höhenprofils ergibt sich nach Logarithmierung und Kalibrierung der Intensitätskodierung als Funktion der Lebensdauer des Ausbleichens in einem nichtlinearen Absorber (Konverter 12) . Fig. 2 zeigt eine photographische Abbildung eines ersten Meßobjektes. Es handelt sich dabei um einen Stopfen aus Teflon, wie er für Küvetten benutzt wird. Dieser Stopfen besitzt eine reale Ausdehnung von ca. 10 mm. Fig. 3 zeigt ein Höhen-Kontur-Profil des ersten Meßobjektes, wie es nach einer Messung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren errechnet werden kann. Die Skalierung dieses Höhen-Kontur-Profils entspricht noch nicht den realen Werten. So ist die reale Gesamtausdehnung in x-Richtung ca. 10 mm und in y-Richtung ca. 7,5 mm. Der Stopfen kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei lediglich einer Aufnahme aus der in Fig. 2 wiedergegebenen Perspektive nur bis zu seinem Durchmesser vermessen werden." Der ihn umgebende Untergrund ist durch das Rauschen der CCD - Kamera verursacht. Fig. 4 zeigt eine als Graubild kodierte, gemessene Intensitätsverteilung des ersten Meßobjektes.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass vor allem sich schnell verändernde Objekte mit Zeit- auflösungen im sub-Nanosekundenbereich, Wiederholraten im Kilohertzbereich und relativen Genauigkeiten von besser 1/1000 meßbar sind.
Die verwendeten Konverter werden zur Messung elektrisch oder für eine höhere Genauigkeit optisch getriggert . Die Anforderungen an die Genauigkeit sind deshalb nicht sehr hoch, weil in der Flanke des Transmissionsänderungseffektes (oder Reflexions-/ Polarisationsänderungseffektes) gemessen werden kann und damit für die Messung immer ein vorbestimmtes Zeitintervall zur Verfügung steht . Dabei ist es grund- sätzlich möglich, sowohl die ansteigende Flanke als auch die abfallende Flanke des Transmissionsänderungseffektes (oder Reflexions-/ Polarisationsänderungseffektes) zu verwenden. In den vorliegenden Ausführungsbeispielen entsprechend der Fig. 2 bis Fig. 7 wurde die abfallende Flanke verwendet . Im einfachsten Fall wird ein nichtlinearer Absorber mit bekannter Rückkehrzeit der Absorption verwendet. Dieser Absorber wird durch ein entsprechendes Anregungslicht, vorzugsweise einen Puls-Laser, ausgebleicht, wobei das Anregungslicht mit dem Messlicht synchronisiert ist. Dies führt dann zu einer laufzeitabhängigen Schwächung des am dreidimensionalen Messobjekt gestreuten und/oder reflektierten und/oder abgestrahlten Lichts . Ein solcher nichtlinearer Absorber kann auf Basis von schnell schaltenden optischen Filtern, wie sie zum Beispiel aus der RG-Serie (Firma Schott, Deutschland) verfügbar sind, durch geeignete Farbstoffe, wie zum Beispiel Triphenylmethanfarbstoffe oder durch- - geeignete
Halbleiterschalter realisiert werden. Aufgrund der möglichen Verwendung von Serien - Bauelementen läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung kostengünstig herstellen. Zur Auswertung der Intensitätsverteilung bietet sich neben einer CCD - Kamera insbesondere eine CMOS - Kamera mit einer logarithmischen Kennlinie an, da diese Kamera die Kennlinie des nichtlinearen Absorbers gut auszunutzen vermag.
Die aufgrund von Ungleichmäßigkeiten in der Beleuchtung oder im Transmissionsprofil des Konverters begrenzte Messgenauigkeit kann durch Referenzkanäle bzw. Referenzmessungen erheblich gesteigert werden. Weitherhin ist es zur Erhöhung der Messgenauigkeit vorgesehen, verschiedene Konverter gleichzeitig in verschiedenen Messkanälen oder nacheinander zum Einsatz zu bringen. Durch geeignete Vorrichtungen (zum Beispiel Resonatoren) kann eine mehrfache Aktivierung von schnelleren Konvertern während der Aktivierung von jeweils langsameren Konvertern erreicht werden. Hierdurch kann eine sehr hohe Messgenauigkeit für einen großen (erweiterten) Messbereich erzielt werden. Die Messergebnisse verschiedener Messungen aus verschiedenen Ansichten können kombiniert und die mathematische Beschreibung des dreidimensionalen Messobjektes z.B. in ein CAD-Format konvertiert werden. Erfindungsgemäß können zusätzlich Gatter in die Messanordnung eingebracht werden, so dass die dreidimensionale Formerfassung nur für einen vorher festgelegten Tiefenbereich stattfindet. Auf diese Weise ist es möglich, auch innerhalb von z.B. streuenden Objekten dreidimensionale Formerfassung durchzuführen. Dies kann insbesondere für biologische und/oder medizinische Applikationen vorteilhaft sein. Neben der' dreidimensionalen-' Formerfassung ist"" das- erfindungsgemäße Verfahren auch in der Lage, in einer oder zwei Dimensionen Formerfassungen durchzuführen. Im Falle der zweidimensionalen Formerfassungen kann z.B. die Kamera zur Intensitätsmessung im Binding-Modus betrieben oder durch eine lineare Zeile oder eine PIN-Diode ersetzt werden. Durch die Auswertung nur eines Bildpunktes können Entfernungsmessungen durchgeführt werden.
Fig. 5 zeigt eine photographische Abbildung eines zweiten Meßobjektes. Es handelt sich dabei um eine Kombination eines inneren Bereichs einer CD-Hülle, über welchen die CD arretiert werden kann und einer dahinter liegenden Schlaucholive .
Fig. 6 zeigt ein Höhen-Kontur-Profil des zweiten Meßobjektes, wie es nach einer Messung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren errechnet werden kann. In dieser Figur sind die verschiedenen Höhenstufen des zweiten Messobjekts deutlich zu erkennen. Die Klammern können mit lediglich einer Messaufnahme entsprechend Fig. 6 nur von vorn, also nicht in ihrer Tiefenausdehnung vermessen werden. Deshalb erscheinen die Klammern der CD - Hülle in Fig. 6 als in Z-Richtung (Depth) ausgedehnt. Ein weiterer Effekt ist die durch den Schattenwurf eines Klammerzacken auf der Olive verursachte Nichtmessfähigkeit in diesem Bereich. Somit erscheint in der dreidimensionalen Kontur der hinter der CD - Hülle liegenden Olive ein Ausschnitt, welcher nicht den realen Gegebenheiten entspricht. Dieser Effekt läßt sich durch eine geeignete Beleuchtung selbstverständlich eliminieren. Er dient jedoch in diesem Beispiel zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Auch in Fig. 6 ist wie in den Figuren 3, 4 und 7 eine endgültige Skalierung noch nicht erfolgt. Trotzdem läßt sich die dreidimensionale Struktur des zweiten Messobjekts gut erkennen. -Fig-. ~7> "Zeigt- eine' a s" Graiibild kodierte, 'gemessene Intensitätsverteilung des zweiten Meßobjektes.
Die Güte des Messverfahrens kann durch Verwendung qualitativ hochwertigerer Komponenten wesentlich gesteigert werden. Aus den vorhandenen Messungen läßt sich abschätzen, dass eine Genauigkeit von kleiner 10 μ für die Tiefenmessung bei Objekten einer Ausdehnung im Zentimeterbereich erzielbar ist .
Die Geschwindigkeit von aufeinanderfolgenden Messungen wird lediglich von der Geschwindigkeit der Datenauswertung bestimmt, so dass eine Echtzeit-Messung von dreidimensional schnell veränderlichen Objekten bei ausreichender Rechenleistung realisierbar ist.
Durch die oben genannten Vorteile lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Vielzahl von Anwendungsgebieten erschließen, wie zum Beispiel die Vermessung sehr schnell bewegter Teile wie Turbinen oder eine sehr schnelle Gütekontrolle, beispielsweise in der Mikroelektronik, insbesondere für Chips, DVD's oder CD's. Weiterhin ist eine Vermessung transparenter Materialien möglich, wie zum Beispiel die Gütekontrolle optischer Gläser oder das Messen von Strömungsprozessen von Flüssigkeiten und Gasen. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt ferner, die zeitliche Abfolge der über den Querschnitt verteilten Intensität eines Objektes zu messen. Hierdurch kann zum Beispiel eine Qualitätskontrolle für das Strahlungsprofil eines Lasers erfolgen.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination und Modifikation der genannten Mittel und Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen "der Erfindung zu verlassen.'
Bezugszeichenliste
Meßobjekt Konverter Puls-Laser Strahlteiler Linsensystem hochreflektiver Spiegel Linsensystem Linsensystem CCD - Kamera CCD - Kamera hochreflektiver Spiegel Strahlteiler

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erfassung der Gestalt eines dreidimensionalen Gegenstandes mit den Schritten: a) Kodierung der Licht-Laufzeiten als Lichtintensitätsmodulationen des vom zu vermessenden Objekt gestreuten und/oder reflektierten und/oder abgestrahlten Lichts, b) Messung der Lichtintensität oder der Lichtintensitatsverteilung, c) Auswertung der Messdaten und Ermittlung der Gestalt des dreidimensionalen Gegenstandes.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zu vermessende Objekt vor der Kodierung der Licht- Laufzeiten als Lichtintensitätsmodulationen und der Messung der Lichtintensität zusätzlich mit einer geeigneten Lichtquelle bestrahlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierung der Licht-Laufzeiten als Lichtintensitätsmodulationen durch mindestens einen Konverter mit einer zeitabhängigen Änderung von Absorption, Reflexion, Transmission und/oder Polarisation bewirkt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierung der Licht-Laufzeiten in Lichtintensitätsmodulationen mittels mindestens eines nichtlinearer Absorbers auf Basis von Farbstoffen, einer Farbstofflδsung, eines optischen Filters und/oder eines Halbleiterschalters bewirkt wird. 03/046472
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5. Verfahren nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass der Farbstoff ein Triphenylmethanfarbstoff ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter eine GaAs-Struktur aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die ' Kodierung der Licht-Laufzeiten als Lichtintensitätsmodulationen mittels mindestens eines -optischen Tores auf Basis "von Polarisätioriseffekten bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Tor eine Kerr-Zelle oder eine Pockels-
Zelle ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsrotationsdiffusion durch Viskositätsvariation der verwendeten Flüssigkeiten variiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine gepulste Laserlichtquelle ist.
11. Verfahren nach Anspruch 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Konverter zur Veränderung seiner Transmission bzw. Absorption mit einer gepulsten Laserlichtquelle bestrahlt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Lichtintensität mittels eines Films, einer CCD - Kamera, einer CMOS - Kamera, einer CCD - Zeilenkamera oder einer CMOS - Zeilenkamera erfolgt .
13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens eine Messung der Lichtintensität des vom Objekt gestreuten und/oder reflektierten und/oder abgestrahlten Lichts ohne Durchgang durch ■• einen Konverter erfolgt.'
14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Messdaten auf Grundlage mehrerer zeitlich versetzter Kodierungen der Licht-Laufzeiten als Lichtintensitätsmodulationen und Messungen der Lichtintensität und/oder auf Grundlage mehrerer zeitgleicher Kodierungen der Licht-Laufzeiten als Lichtintensitätsmodulationen und Messungen der Lichtintensität über mehrere Messkanäle erfolgt .
15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einwirkung des vom Objekt gestreuten und/oder reflektierten und/oder abgestrahlten Lichts auf die Messvorrichtung mittels mindestens eines Lichttores zeitlich begrenzt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung und/oder Auswertung nur bezüglich einer Dimension oder zwei Dimensionen erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Messdaten auf Grundlage mehrerer Kodierungen der Licht-Laufzeiten als Lichtintensitätsmodulationen und Messungen der Lichtintensitäten erfolgt, wobei mehrere Konverter gleichzeitig oder nacheinander in verschiedenen Messkanälen verwendet werden.
18. Vorrichtung zur Erfassung der Gestalt eines dreidimensionalen Gegenstandes mit mindestens einer
Einheit zur Messung der Lichtintensität des vom zu
-vermessenden Objekt " ausgestrahlten Lichts ' und mindestens einer Einheit zur Auswertung der Messdaten, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen Konverter mit einer zeitabhängigen Änderung von Absorption, Reflexion, Transmission und/oder Polarisation aufweist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Konverter ein nichtlinearer Absorber auf Basis von Farbstoffen, eine Farbstofflösung, ein optischer Filter und/oder ein Halbleiterschalter ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass Farbstoff ein Triphenylmethanfarbstoff ist und der Halbleiterschalter eine GaAs-Struktur aufweist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Konverter ein optisches Tor, zum Beispiel eine Kerr-Zelle oder eine Pockels-Zelle ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zusätzlich eine Lichtquelle aufweist .
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, die Lichtquelle ein gepulster Laser ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, die Einheit zur Messung der Lichtintensität eine CCD - Kamera> eine CMOS - Kameray 'eine CCD - Zeilerikamerä oder eine CMOS - Zeilenkamera ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere Messkanäle aufweist .
26. Vorrichtung nach Anspruch 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zusätzlich
Spiegel, teildurchlässige Spiegel, optische AbbildungsSysteme und/oder optische Lichttore aufweist.
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