WO2018206233A1 - Verfahren und anordnung zur robusten, tiefenscannenden/fokussierenden streifen-triangulation mit mehreren wavelets - Google Patents

Verfahren und anordnung zur robusten, tiefenscannenden/fokussierenden streifen-triangulation mit mehreren wavelets Download PDF

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WO2018206233A1
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wavelet
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depth
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Klaus KÖRNER
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Universität Stuttgart
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    • G01C11/30—Interpretation of pictures by triangulation

Definitions

  • the present application relates to an arrangement and a method for depth-sensing strip triangulation, in particular for 3-D shape measurement in microscopy and mesoscopy.
  • the present application relates to 3 D Messverl ears with areal structured illumination using the Strei fen triangulation principle with focus variation by a depth scan, ie by means of focus scan in the sense of a depth scan.
  • These methods are stripe triangulation with a particular continuous depth scan and there is always a triangulation angle. This means that there is an angle between the main projection beam and the main detection beam for each measurement point in the object space.
  • a focusing in the sense of a geometric displacement of at least one focus area in the object space.
  • the approach is independent of where the mechanical motion scan or power variation occurs in the optical system.
  • the focus area may also be inclined to the optical axis of a detection lens.
  • the present application relates to refractive-type, focussing strip triangulation measurement methods or focus-scanning or depth-scanning methods based on a focussing strip triangulation measurement arrangement.
  • this motion scan can on the one hand be external mechanical scan, where the entire compact measuring device relative to the measurement object - or the measurement object itself - is moved.
  • it can also be an internal mechanical scan.
  • the movement with the depth component of a line grating or a spatial light modulator takes place - even in the form of a liquid crystal display - ie within the triangulation measuring arrangement.
  • This internal mechanical scan then also shifts the focus area in the object space with depth component, which represents a focussing of the object space with an image of the line grid. It is also possible to combine an internal mechanical scan with an external scan so that two motion scans are synchronized.
  • the triangulation angle beta is typically 22.5 ° to 45 °, but very rarely more than 60 °, and very rarely less than 6 °.
  • the triangulation angle beta here should be determined by the angle of the heavy beam of the illumination beam path to the angle of the heavy beam of the imaging beam path for each detected point of the measurement object and is thus completely independent of the measurement object and only conditioned by the geometrical-optical structure.
  • An external motion scan is considered to be a relative movement between the 3D triangulation measurement setup as a compact unit and the measurement object.
  • the term "internal motion scan” is intended to describe that the 3 D triangulation measurement arrangement and the measurement object remain in external peace while measuring, but in the 3D triangulation measurement arrangement at least one component is mechanically deep or with Depth component moves, so that the focus changes in the optical arrangement for triangulation.
  • the moving component may in the simplest case represent an illuminated screened structure such as a line grid, also known as a Ronchi grating.
  • the rasterized structure may also be referred to as a structured pattern of s-patterns.
  • the moving component may also be a rasterized receiver.
  • the rasterized receiver can also be referred to as a receiver array.
  • the focusing triangulation approach includes both the depth motion of the screened receiver and the motion of a transmission pattern array at depth or with depth component.
  • the structured transmission pattern array formed in the simplest case as a transmission line grating, is moved in the illumination beam path with depth component.
  • Such an approach is described in DE 198 46 145 AI, where an illuminated line transmission line grating, motion components are assigned to carry out a movement on an inclined track. The movement on an inclined path with respect to the optical axis of theansobj ektivs and takes place parallel to a special line gA on which the array-side focal point of the projection lens and the array-side main point of the detection lens are.
  • This special movement thus has a depth component for focussing and also a lateral component for phase shifting.
  • the projected strips in the object space also move laterally in the 3-D measurement and pass through a depth-of-focus area, with the object and the measuring arrangement as a whole remaining without relative movement with respect to one another.
  • a wavelet with a contrast envelope can be detected during object detection.
  • 3D triangulation measurement methods with external depth scanning came into the focus of the art, for example in the article by M. Ishihara, Y.Nakazato. SPAS Vol.3740, pp.l., H. Sasaki, M. Tonooka, M. Yamamoto, Y. Otani, T. Yoshizawa, entitled "Three-dimensional surface measurement using the grating projection method by detecting phase and contrast", in Proc 14-1 17 (1999) [3] .This is the first described experiment with an external motion scan.
  • a Leica stereomicroscope For the triangulation measurement setup, a Leica stereomicroscope is used, where one optical channel is for illumination and the other for image acquisition
  • two translational movements take place, namely one for focusing (depth scan) and additionally one for the phase shift at the grating, however, no wavelet is formed, since in different depth positions, ie at standstill, several intensity values are recorded for contrast and phase determination [3]
  • a gradual depth scan of the entire stereomicroscope is described
  • the phase is adjusted on the line grid in the different depths, with Streiienkontrast u nd phase are evaluated separately. Due to the discontinuous motion, it is a comparatively slow measuring method, also in comparison to the confocal approach.
  • Pixel-wise wavelets with contrast envelopes are extracted from the image stack recorded in the depth scan and evaluated on the basis of an adapted Iock-in algorithm.
  • the lock-in algorithm was developed at the Institute for Technical Optics of the University of Stuttgart for white-light interferometry and adapted for the first time in focused triangulation with structured illumination using a 12.5-fold Leica stereomicroscope.
  • Fig. 7b of the technical article [4] shows only 2 to 3 dominant oscillations among the contrast Einhül loin.
  • wavelets with rather narrow-band contrast envelopes ie with only very few oscillations, for example less than a total of six oscillations, always result under the contrast envelopment.
  • the pupillary distance in the arrangement of the stereomicroscope is indeed the apparatus-based triangulation basis of the triangulation arrangement. This results in a relatively narrow contrast envelope, ie in relation to the number of detectable oscillations which a commercially available stereomicroscope always delivers independently of the strip period used no uncertainties at all in determining the contrast center of gravity with respect to the oscillations under the contrast envelope. Finding a zero-order oscillation and thus finding a zero-order stripe are thus well feasible.
  • a lock-in evaluation with use of the phase information for the determination of the 3-D form works much better with about five dominant oscillations under the contrast envelope than with only two dominant oscillations. See also the article by R. Windecker, M. Fleischer, K. Körner Fl. Tiziani "Testing micro devices with fringe projection and white-light interferometry" in Optics and
  • a typical value of the ratio was found to be 9 at f-stop 1, 4 and at least approximate image-side telecentricity for real lenses developed for fixed object distance 750mm with 0.1% distortion by Jenoptik.
  • the triangulation angle for this parameterization is still rather small. At the object distance of 750 mm this is 6 °, which is to be regarded as rather small for a macroscopic scattering entanglement measurement arrangement.
  • This triangulation angle so many oscillations, ie periods under the contrast envelope of the waveiet, for example more than 20, can be reliably detected only in the case of very cooperative continuous, well scattering objects and the use of suitable evaluation algorithms is. This is the case when the wavelet has a symmetrical contrast envelope.
  • Minski under US Patent 3,013,467 began as early as the 1980's and is still an unrestrained trend
  • White light and confocal microscopy used depth motion scan is mastered technically very convincing. This scan is conditionally imperative and usually provides an external depth motion scan in relation between the measuring arrangement and the object to be measured.
  • the 3 D measuring arrangement or components thereof is moved in depth for the purpose of focussing through the object space, and more rarely the measuring object.
  • this applies to all universal 3-D measuring instruments on the market.
  • German Patent DE 10 2007 056 207 B4 likewise presents this approach with moving measuring objects and fixed measuring arrangement and the generation of signals which are known from white-light interferometry (WLI).
  • WLI white-light interferometry
  • AI is the focus area, or focal plane, inclined in the arrangement to the optical axis of the detection and there is a relative movement between the measuring object and the measuring head, which is to be described as an external depth scan.
  • This SD camera has as a spatial light modulator on a liquid crystal display, which can be moved to focus together with a CCD camera by means of piezo-translator in depth (internal depth scan). It is measured step by step in different depths of focus in discrete steps, that is, discontinuously. So there is no continuous or quasi-continuous scan.
  • various fine line gratings are projected at standstill by means of a liquid crystal display, which are each phase-shifted by 90 °, so that it is a classical multi-wavelength phase shift approach that no wavelets are generated from a stack of images for 3D measurement.
  • This method is thus relatively time consuming by the respective stopping when taking multiple images in a depth position.
  • this measuring arrangement it is not possible to measure small objects, for example with dimensions of 10 mm ⁇ 10 mm ⁇ 10 mm, with depth resolutions in the single-digit micrometer range, for example 3 D-printed products, since there is no geometric overlap of .mu.m in the vicinity of the measuring arrangement Projection and detection beam path gives.
  • the technical article gives a depth resolution of 0, 1 mm. However, this is completely insufficient for small-scale objects.
  • the lateral resolution which is also in the order of magnitude of greater than or equal to 0.1 mm and is thus much too coarse.
  • Deep Scanning Stereo Microscope (External Depth Scan) is used to determine the depth of field Overcome problem.
  • Gray code algorithm is used in conjunction with a phase shift approach.
  • the documents DE 699 14 886 T2 and WO 99/5241 and WO 98/45745 represent arrangements based on a microscope in order to obtain three-dimensional information.
  • illumination and detection are done by the same optics.
  • the projection system and the detection system are thus always spatially united with respect to an object, since coaxial technik for the optical axes of the beam paths relative to the object exists.
  • the present invention has for its object to provide improved methods and arrangements for focus-varying triangulation with structured illumination, in particular for the 3 D-shape measurement in the field of microscopy, which are rather low magnifications also suitable for the mesoscopic area.
  • a 3-D shape measurement in the mesoscopic range even on objects with discontinuities of the surface such as paragraphs are made possible, compared to weakly magnifying confocal microscopy on light-scattering surfaces an SD point cloud faster and with low measurement uncertainty, so high accuracy measured can be.
  • a special task is to reduce or even completely avoid 2n * Pi jumps with n-1, 2, 3 in the phase evaluation of signals in wavelet form. with contrast envelope, which was obtained by means of an arrangement for deep scanning or focus-scanning triangulation with structured illumination, in particular also for 3D shape measurement in the microscopic and mesoscopic range.
  • the optical path length in the optical beam path is to be increased without significantly increasing the installation space of the arrangement in order to allow a good approximation to the case of perfect telecentricity in optical design.
  • a first aspect of the invention relates to a method for deep-scanning strip triangulation with wavelet signal generation with a strip triangulation arrangement for the structured illumination of at least one measurement object.
  • the strip triangulation arrangement (hereinafter also arrangement for deep scanning strip triangulation) comprises:
  • At least one screened light detector with pixels at least one computer system, and
  • the strip triangulation arrangement may have a triangulation angle of at least 2 °, for example between 6 ° and 80 °, between 10 ° and 75 ° or between 20 ° and 60 °.
  • the method comprises:
  • Performing a depth scan of the DUT comprising:
  • each set of images Projecting through the same projection beam path of the grid pattern on the measurement object, so that a structured illuminated measurement object, and recording with the screened light detector and using the detection beam path of at least two sets of images, each corresponding to the different lattice patterns, each set of images a sequence of images with comprising a specific grid pattern structured illuminated object to be measured,
  • each image set comprising a sequence of images of the structured illuminated measurement object at a certain triangulation angle
  • Determining by means of the computer system the depth position of a suitable measuring point i of the measuring object from the at least two wavelets W1 and W2 and taking into account pixel-wise given reference phase values (phi_R_l, phi_R_2) of the at least two wavelet periods pw_l and pw_2, comprising:
  • Phase value phi 1 modulo 2 Pi supplies, as well as the wavelet period pw_2, which provides a phase value phi_2 modulo 2 Pi;
  • At least two wavelets with contrast inclusions are generated. This is done by a simultaneous - then preferably with spectral separation - or by a sequential projection of two stripe images, each with different triangulation wavelength on the measurement object.
  • the method provides the possibility of being able to obtain information on the measurement uncertainty of the measuring point based on the shape of the contrast envelope of the respective wavelet.
  • the control of the known nominal half-width of the wavelet of the arrangement or the skewness of the wavelet can be monitored for detected wavelets, and in the case of significant deviations from half-width or symmetry of the envelope, this measured value can be discarded.
  • the recorded sets of images can be stored in the form of different or separate image stacks. It is also possible to nest the images of the individual sentences into one another and to store them in the form of a stack of images, the image stack comprising alternately or alternately images of the measurement object illuminated with the different lattice patterns or at different triangulation angles.
  • the at least two wavelets can then be determined by reading the images from the separate image stacks or by alternately reading the images from the one common image stack.
  • the at least two wavelets W1 and W2 can be stored separately in a digital memory.
  • the reference phase values phi R l modulo 2 Fi, phi_R_2 modulo 2 Pi can be determined pixel by pixel by a reference measurement carried out beforehand by means of a reference measurement object and stored in a data memory.
  • the two grating periods p_I and p_2 preferably fulfill the following relationships: p_2> 1.01 * p_l and p_2 ⁇ 10 * p_l.
  • the grating periods p_l and p_2 can, for example, satisfy the condition p_2 ⁇ 2 * p 1 or p 2 f ⁇ 2 * p 1, and the at least two wavelets W1 and W2 can numerically have a beat with at least one beat period pw_12 to each other, which is at least twice as large as the wavelet period pw l of the wavelet Wl.
  • the beat period (beat wavelet period) pw 12 predetermines the range of interest EDB.
  • the grating periods p_l and p_2 or p_2_g can also satisfy the condition p 2> 2 * p_l or p_2_g> 2 * p_ ⁇ , and the wavelet period pw_2 of the second wavelet W2 can be at least twice as long as the wavelet period pw l of the first wavelet Wl.
  • the second wavelet W2 is formed coarser than the first wavelet W1.
  • the wavelet period pw_2 in this case specifies the uniqueness range EDB.
  • a telecentric illumination of the measurement object and / or a telecentric imaging of the measurement object can also take place.
  • the telecentric illumination can take place by means of a telecentric diaphragm and / or a one-sided or both-sided telecentric imaging stage in the projection beam path.
  • the tclezentrischc imaging can be done by means of a telecentric aperture and / or a one-sided or mutually telecentric imaging stage in the detection beam path.
  • the depth scan may be a continuous or a discontinuous (“stop-and-go") scan
  • the depth scan is a continuous depth scan, e.g.
  • the depth scan can be an external depth scan, an internal depth scan, or a combination of the two.
  • the depth scan may be e.g.
  • the confocal condition is preferably maintained.
  • the confocal condition is usually implicitly adhered to.
  • the confocal condition must be meticulously maintained geometrically-optically. This is done by realizing a coincidence of the images AS O and BS O of the distances of the displacement in the object space.
  • the generation of the at least one grating pattern, the optical beam paths and the depth scan can be realized in different ways.
  • At least two fixed or static line gratings with different grating periods can be alternately illuminated in time, or the at least two fixed line grids are self-illuminating and light up alternately in time.
  • controllable spatial light modulators or light emitters instead of the fixed or static line grids.
  • the method may then include varying the grating period with electronic means.
  • a spatial light modulator are illuminated, which temporally successively switches the at least two grating patterns with the respectively different grating periods p 1 and p_ 2.
  • a soundable structured light generator can successively switch the at least two grating patterns with the respectively different grating periods in succession.
  • two fixed or static line grids can be illuminated simultaneously with light, each with a different color spectrum, or the at least two line grids are self-luminous, each with a different color spectrum.
  • the generated grid patterns are simultaneously projected onto the object to be measured by the same projection beam, so that a structured and color-illuminated measuring object exists.
  • This measurement object can be detected by using the detection beam path of a screened light detector with at least two color channels.
  • the images in the respective color channel then form the respective image set, on the basis of which the wavelet Generation takes place.
  • color-coded controllable spatial light modulators or light transmitters can be used.
  • a fixed or rotatable line grid wherein the line grid is rotated between at least two different rotational positions.
  • the fixed or static rotatable line grating By rotating the fixed or static rotatable line grating in the different rotational positions, at least two grating patterns with different effective grating periods p_efj 1 and p_eff_2 are generated one after the other in chronological succession.
  • the lattice can be illuminated with at least one light source or be a self-luminous.
  • a line grid with the grating period p is used, which would be significantly out of the normal, namely 90 ° to Triangulationsbasis to the Drehwmkel psi is rotated clockwise.
  • the angle psi is preferably from 10 ° to 80 °.
  • a rotation angle psi 1 which results e.g. is equal to 40 °.
  • a first fine grating period p_l and then a second grating period p_2 f can be generated and the method described above can be used.
  • a second image stack is also taken, from which the wavelet W2 results for each pixel, which is now somewhat stretched in comparison to the first wavelet W1 in this case described.
  • the depth scan at the first rotation position can be performed eg in the trace of the scan and at the second rotational position in the return of the scan.
  • a quotient in the range of 1.15 to 1.33 represents an optimum. It holds true that the first effective grating period p_l represents the smaller of the two grating periods.
  • the two positions with the angles of rotation psi 1 and psi l can be realized with high precision by mechanical stops with magnetic force in the sense of a bistable, robust mechanical construction with pivot bearing - at least in the partial area of the full circle.
  • the construction with pivot bearing includes, for example, a controllable drive to which no accuracy requirements must be made, and which performs the turning as quickly as possible.
  • the application to the final position can be done by magnetic force.
  • the two rotation angle positions or rotational positions are preferably secured as accurately reproducible for the time between two calibrations.
  • a controllable aperture in an aperture plane in the projection and / or detection beam path.
  • a fixed periodic line grid with a period p can be illuminated with at least one light source or be self-illuminating.
  • laterally different regions of the diaphragm aperture of the controllable diaphragm can be released in a predetermined manner controlled for light transmission or light reflection alternately.
  • the effective triangulation angle of the strip triangulation arrangement is changed in a predetermined manner, so that successively at least two different effective triangulation angles beta_l and beta 2 exist in the triangulation arrangement.
  • the geometric or the photometric center of gravity of the aperture is varied.
  • a variation of the aperture of the aperture affects the triangulation wavelength, which has a direct influence on the wavelet period of the wavelet.
  • the variation of the aperture and in particular of the center of gravity of the aperture is preferably carried out after each individual image acquisition of the measured object by means of the screened detector.
  • the controllable aperture can e.g. be a laterally controllable mechanical shutter. It is also possible to realize the aperture by means of a spatial light modulator. If the spatial light modulator or any type of controllable diaphragm with lateral displacement or a component with lateral displacement of the diaphragm center or of the photometric center of gravity is arranged in the diaphragm plane of the detection beam path, this leads to a thoroughly advantageous side effect. Namely, the effect that the numerical aperture of the detection beam path is smaller than the numerical aperture of the projection beam path in each case in the object space. This limits the image blurring during image acquisition in the scan. This is advantageous for finely structured objects or for objects each having a light-dark transition on the surface, e.g.
  • the B 1 end control can for example be as follows: In a first case, the center of gravity of the aperture in a first state is always on the optical axis of the detection beam path. and in a second state, the aperture is decentered. In a second case, both focal points of the aperture are decentered at the same distance from the optical axis of the detection beam path.
  • the controlled aperture approach to varying the effective triangulation wavelength is for more cooperative objects without appreciable fine structure and with uniform light scattering, ie for the measurement of the deviation from the plane and the desired shape of objects with rather low surface gradients, particularly suitable.
  • the imaging components of the same define the projection beam path.
  • the measurement object is detected by using a rastered light detector using the detection beam path, and a sequence of images of the structured illuminated measurement object is recorded in the depth scan.
  • wavelets with different Wave I et periods can be generated.
  • a stack of images is recorded in the memory with temporally alternating aperture and from the image stack are generated by alternately reading two in the period different wavelets Wl and W2 with the wavelet periods pw 1 and pw_2.
  • the wavelet W1 corresponds to the effective triangulation angle ⁇ 1 and wavelet W2 to the effective triangulation angle ⁇ J2. Due to the continuous depth scan, these wavelets W1 and W2 each have a contrast envelope and can be stored separately in a digital memory.
  • the depth position for the measurement object is calculated pixel by pixel.
  • a second aspect of the invention relates to an arrangement for deep-scanning strip triangulation with structured illumination and wavelet signal generation for the structured illumination of at least one measurement object.
  • the arrangement is in particular designed to carry out the method described above.
  • the arrangement for deep-scanning strip triangulation comprises:
  • the computing system may include different modules, such as a memory module, a control module with a control program and an evaluation module with an evaluation program. It is possible to carry out the control of the stripe-triangulation arrangement and the (pixel-by-pixel) evaluation of the detected signals by means of different computer systems (which may be in signal connection with one another).
  • the scanning device may be configured to perform an external or an internal depth scan.
  • the scanning device may comprise translational motion means (eg, a translation slide) having a translational axis, the depth scan being performed either by a movement of the entire tri-angulation arrangement in relation to the measurement object, or the measurement object in relation to the entire triangulation arrangement, or components of the triangulation arrangement in FIG Relation can be made to the measured object.
  • the movable component may e.g. be a line grid.
  • the scanning device may e.g. Translation means (e.g., a translation slide) comprising a translation axis.
  • the arrangement is further designed to
  • the computing system further includes a memory for storing the at least two sets of images.
  • the computing system may further comprise an evaluation module which is configured to generate at least two wavelets W1 and W2, each having different wavelet periods pw_1 and pw_2, from the at least two image sets, the at least two wavelets W1 and W2 each having a contrast characteristic. Having envelopes;
  • the determining the depth position includes:
  • the depth scan and the at least one grid pattern can be realized in different ways.
  • the arrangement may comprise at least one pattern-generating component, such as e.g. a line grid.
  • the pattern indicating component may be a solid or static component (such as a solid line grid) or a controllable component (such as a spatial light modulator or a controllable light emitter).
  • the pattern-generating component may be self-luminous (such as an LED array) or illuminated by one or more light sources.
  • the array for deep scanning triangulation may include two spatially separated solid or static periodic line grids that are either illuminated with at least one light source or are self-illuminants, the light from the line gratings passing through an aperture located in the projection beam path, and is projected through the beam path on the measurement object.
  • the fixed or static periodic line grids can be successively illuminated or lit up. Also, a simultaneous and spectrally discriminated illumination or a simultaneous and spectrally discriminated lighting is possible.
  • a spatial light modulator or a switchable structured light source wherein the light modulator or the light generator is adapted to either different (eg spectrally separated) grating patterns with respectively different grating periods p_i and p_2 or successively switchable grating periods p_l, p_2 to generate.
  • a fixed or static rotatable line grating which is illuminated by at least one light source or is an auto-illuminator, wherein the rotation of the fixed or static rotatable line grating successively at least two grating patterns with different effective grating periods p eff l and p_eff_2 are generated.
  • the fixed or static rotatable line grid may be from the normal position with respect to
  • Triangulation base are rotated by the angle psi, the angle psi preferably between 10 ° to 80 °.
  • the angle psi preferably between 10 ° to 80 °.
  • two grid patterns with different effective grid periods can be generated, which preferably satisfy the conditions p_eff_2> 1, 01 * p_eff_l and p_eff_2 ⁇ 10 * p effj.
  • the fixed or static rotatable line grating can be rotated by means of a computer-controlled or controllable rotating device.
  • a fixed periodic line grating with a period p in combination with a controllable shutter.
  • the controllable diaphragm with an aperture is arranged in an aperture plane of the projection beam path and / or the detection beam path.
  • the line grid is either illuminated with at least one light source or is self-illuminant.
  • the deep-scanning strip triangulation arrangement comprises an iris control device which is adapted to release laterally different areas of the iris opening, alternately controlled to light transmittance or light reflection, relative to the optical axis of the respective imaging beam path so that the effective triangulation angle of the stripe triangulation arrangement is predeterminedly controlled is changed and so successively at least two different effective triangulation angles beta 1 and beta 2 in the strip triangulation arrangement exist.
  • the controllable diaphragm may be, for example, a spatial light modulator, a laterally mechanically displaceable controlled diaphragm and / or a laterally controlled fluid diaphragm.
  • the controllable spatial light modulator may be formed, for example, as a ferroelectric liquid crystal, which laterally displaces the center of the lumbar opening in a predetermined manner as described above.
  • the projection beam path and the detection beam path can be configured differently. Thus, the projection beam path and / or the detection beam path can have a magnification with an amount equal to or different from one.
  • the magnitude of the image scale in the projection beam path beta is preferably P and in the detection beam path beta_strich_D, if the lateral size (y coordinate) in the array space is considered lateral, then Size (y-coordinate) in object space - at least approximately one of the following relationships
  • optical axis of the projection beam path in the array space or on the side of the at least one grid pattern-generating component and the optical axis of the detection beam path in the array space or on the side of the latched detector may be inclined to each other.
  • array generally refers to any screened component (transmit pattern array), such as the at least one component (eg, line grid) that generates the at least one grid pattern or the rasterized detector (receiver array)
  • array space refers to the space in front of each array.
  • the inner beam path refers to the Stralil path from the pattern generating component (such as a line grating, a spatial light modulator, a light emitter, etc.) to the DUT and from the DUT to the rasterized detector.
  • the projection beam path or the detection beam path can be perpendicular to the focal plane F PD.
  • the surface normal of the pattern-generating component (such as a spatial light modulator, a fixed or static line grating, etc.) can also be at an angle with the amount kappa P of at least approximately with the optical axis of the projection beam path AP A.
  • kappa_P Amount ⁇ arctan [beta_strich_P * tan (beta)] ⁇
  • the at least one pattern-generating component may also be perpendicular to the optical axis of the projection beam path.
  • the scanning device may e.g. Translational movement means (such as a translation slide) having a translational axis TA.
  • the optical axis of the detection beam path on the side of the measurement object or in the object space can be arranged parallel to the translation axis of the scanning device or of the translation movement means.
  • a first imaging stage comprising a front optical system assigned to the measurement object
  • a diaphragm can be arranged in the projection beam path.
  • the light of the two grating patterns preferably passes the same aperture and the same imaging stage or front optics.
  • the arrangement is designed for deep scanning strip triangulation and is adapted to realize a telecentric illumination of the measurement object and / or a telecentric imaging of the measurement object.
  • the imaging stage in the projection beam path and / or the imaging stage in the detection beam path may be a one-sided or bilateral telecentric imaging stage.
  • the aperture in the projection beam path and / or the aperture in the detection beam path can be a telecentric aperture.
  • the telecentric imaging stage (which may be formed, for example, as a telecentric lens) in the projection and / or detection beam path may be telecentric on the side of the array or array space.
  • the telecentric imaging stage can be a two-sided telecentric imaging stage, ie an imaging stage that is telecentric both on the side of the array and the array space as well as on the side of the measurement object.
  • the projection and / or the detection beam path can also be unfolded (without kinking of the respective optical axis) or folded (with bending of the respective optical axis).
  • At least two plane mirror surfaces can be arranged in the projection and / or in the detection beam path.
  • the plane mirror surfaces in the projection beam path can be arranged on the optical path from a pattern-generating component of the arrangement for deep-scanning strip triangulation to the measurement object.
  • the plane mirror surfaces are arranged on the optical path from the measurement object to the screened detector.
  • the difference in the number of reflections at plane mirror surfaces in the projection and in the detection beam path is zero or even. Accordingly, the difference of the plane mirror surfaces between the projection beam path and the detection beam path may be zero or even.
  • the at least two plane mirror surfaces can be arranged in the form of an angle mirror or an angular mirror prism in the projection and / or detection beam path.
  • the angular mirror prism may be, for example, a pentaprism.
  • the angle mirror may be, for example, a 45 ° angle mirror in air or a 90 ° angle mirror.
  • the projection beam path and the detection beam path may include an angle (triangulation angle beta) of 45 °.
  • the imaging stages can preferably be telecentric on both sides, and the imaging scale of the two imaging stages preferably has the magnitude one.
  • the pattern-generating component may comprise two line grids, wherein the planes of the two line gratings and the plane of the screened detector are preferably aligned parallel to each other.
  • the Trans latlungsachse of the translation system can be arranged perpendicular to the plane of the screened detector and the projection main beam and the translation axis can be aligned at an angle of 45 ° to each other.
  • the optical axis of the Detection beam path is preferably perpendicular to the coincident focal plane of the projection and the detection beam.
  • the at least two plane mirror surfaces may also be arranged in the form of an angle mirror arrangement in the projection beam path, the total deflection angle (deflection angle in the beam path delta) of the angle mirror arrangement in the projection beam path, considered e.g. from a pattern-generating component, such as e.g. a line grating having twice the angular amount of the triangulation angle beta, and wherein the projection beam path and the detection beam path have the magnification amount of values equal to or equal to one.
  • a pattern-generating component such as e.g. a line grating having twice the angular amount of the triangulation angle beta
  • the at least two plane mirror surfaces can also be arranged in the form of a 90 ° angle spiegeis or pentaprism in the projection beam path, wherein the magnification of the object space in the array space is equal to the square of the tangent of the triangulation angle beta P.
  • the at least two planar mirror surfaces can also be arranged in the form of an angular mirror arrangement in the projection beam path, the total deflection angle (deflection angle in the beam path delta) of the angular mirror arrangement in the projection beam path, considered e.g. from a pattern-generating component, e.g. a line grid having twice the angular amount of the triangulation angle beta, the translation axis TA being the bisecting line to the optical axis of the projection beam path APA and the optical axis of the detection beam path ADA, and the projection beam path and the detection beam path each having the magnification scale of not equal to or equal to one.
  • a pattern-generating component e.g. a line grid having twice the angular amount of the triangulation angle beta
  • the translation axis TA being the bisecting line to the optical axis of the projection beam path APA and the optical axis of the detection beam path ADA
  • the projection beam path and the detection beam path each having the magnification
  • the scanning device may include a computer-controllable translation system, e.g. in the form of a translation slide.
  • the translation system may be rigidly associated with both the screened light detector and at least one pattern-generating component of the deep-scanning strip triangulation arrangement, such that the
  • the deep scanning stripe triangulation arrangement may comprise two or more projection beam paths.
  • the at least two projection beam paths can be arranged symmetrically to the optical axis of the detection beam path.
  • the arrangement for cries scanning strip triangulation may include two or more detection paths.
  • the at least two detection beam paths can be arranged symmetrically to the optical axis of the projection beam path.
  • the projection beam paths and / or the detection beam paths may be formed telecentrically and each have a telecentric aperture.
  • Exemplary fields of application of the proposed methods and arrangements are the shape measurement, shape measurement, also a extraoral dental components and also in connection with multi-coordinate measurement technology. In the foreground are objects with a considerable depth of expansion. Furthermore, in particular a high-precision mini-form measurement is to be made possible, but not necessarily the highest lateral resolution. It should be used simple and inexpensive components that enable a mechanically highly stable construction.
  • a preferred field of application is quite generally the range in which the triangulation angle ⁇ of the measuring arrangement significantly exceeds the aperture angle (edge beam angle) ⁇ of a conventional objective for confocal microscopy or microscope with focus search, in particular at low microscope magnification.
  • the invention preferably aims at solutions for the three-dimensional measurement of objects with an extension in the range of 1 mm ⁇ 1 mm ⁇ 1 mm over 25 mm ⁇ 25 mm ⁇ 25 mm and also up to 200 mm ⁇ 200 mm ⁇ 200 mm. It is about a depth resolution of submicrometer to the one- and two-digit micrometer range, which scales with the size of the measuring field. In other words, it is about a measurement volume in the order of magnitude of about 1 cubic millimeter to 10 cubic decimeters, often in cube-like form. In particular, this involves measuring arrangements with a very high depth resolution of up to 1 / 100,000 of the measuring field diagonal.
  • the magnitudes of the magnifications beta correspond in the range from 0.05 to about 5.
  • the magnification of the scale beta is offset by 1 and up to 0.2 in this case special interest.
  • the detection beam path of the measurement object with an image on the chip of a screened detector is to be considered here.
  • the approach with the confocal microscope for 3D acquisition is probably the better alternative.
  • the restrictions are limited by a limited depth of field usually not so serious, so that can be dispensed with a depth scan.
  • Special applications are the high-precision measurement of teeth or test objects with the shape of a tooth, the measurement of impressions from the human ear for components of hearing aids, which are to guarantee an optimal fit in the ear, and the measurement of injection molds for small-sized plastic components down to the single digits micrometer range.
  • the proposed approaches are particularly suitable for the low-eost range, for example, if it is more about 3 D-profile measurements of smaller objects, for example, with three-dimensional mini-relief structures, in different, very different depths as well as on the depths offset surfaces - or on inclined surfaces.
  • the focus here is not on the absolute measurement of greater depths, but on a fine 3D profile.
  • FIG. 1b shows a contrast function in the grating image at different depths in the triangulation arrangement from FIG.
  • FIG. 1c shows an exemplary stereomicroscope with the triangulation arrangement from FIG.
  • FIG. 1 d shows another exemplary stereomicroscope with a triangulation arrangement according to the prior art
  • FIG. 1e shows a wavelet taken with the stereomicroscope of FIG.
  • Figure lf an exemplary triangulation arrangement according to the prior art
  • FIG. 1 g shows a wavelet taken with the arrangement from FIG.
  • Figure lh shows an exemplary triangulation arrangement with internal deep scanning according to the prior art
  • FIG. 11 an exemplary double-sided telecentric imaging stage for the projection and detection of a structured illuminated object according to the prior art
  • FIG. 1 a shows an exemplary wavelet which can be generated pixel by pixel with an arrangement according to FIGS. 1 f, 1 h or 1 i by means of a measurement;
  • Figure lk shows an exemplary symmetric wavelet
  • FIG. 11 shows an exemplary asymmetrical wavelet
  • FIG. 2 shows an exemplary continuous focus-scanning triangulation arrangement with a
  • FIG. 3 shows an exemplary first line grating with a first grating period p 1;
  • FIG. 4 shows an exemplary second line grating with a second grating period p_2;
  • FIG. 5 shows a first wavelet W1 resulting from the first line grid (FIG. 3);
  • FIG. 6 shows a second wavelet W2 which results from the second line grid (FIG. 4);
  • FIG. 7 shows the beat of the wavelets recorded with the line gratings from FIGS. 3 and 4;
  • FIG. 8a shows an exemplary first wavelet WR1 for a reference measuring point R belonging to a pixel P which was recorded with the first line grid (FIG. 3);
  • FIG. 8b shows an exemplary second wavelet WR2 for a reference measuring point R belonging to a pixel P which was recorded with the second line grid (FIG. 4);
  • FIG. 8c shows the beat of the reference signals recorded with the line grids from FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 8 d shows an exemplary first wavelet WO 1 for an object measuring point i belonging to a pixel P_i measured with the first line grid (FIG. 3);
  • FIG. 8 c shows an exemplary second wavelet WO 1 for an object measuring point i belonging to a pixel P i measured with the second line grid (FIG. 4);
  • FIG. 9 shows an exemplary triangulation arrangement with a double wavelet approach and an external depth scan;
  • FIG. 10 shows an exemplary first line grating with a first grating period p 1 SLM
  • FIG. 11 shows an exemplary second line with a second grating period p 2 SLM
  • FIG. 12 an exemplary arrangement with an external depth scan, in which the color of the measurement object can also be determined
  • FIG. 13 shows an exemplary triangulation arrangement with an internal continuous scan
  • FIG. 14 shows an exemplary triangulation arrangement based on the arrangement of FIG
  • FIG. 15 a shows an exemplary triangulation arrangement with two-sided illumination
  • FIG. 15b shows an exemplary triangulation arrangement with two-sided illumination
  • Figures 16a to 16g each exemplary triangulation arrangements with an internal
  • FIGS. 17 and 18 each show exemplary triangulation arrangements with an internal depth scan with at least two plane mirror surfaces in the projection beam path;
  • FIG. 19 shows a triangulation arrangement with an external depth scan with two line gratings
  • Figure 20 shows the first line grating used in the arrangement of Figure 19;
  • FIG. 21 shows the second line grating used in the arrangement of FIG. 19.
  • FIG. 22 shows the first wavelet resulting from the first line grid (FIG. 20);
  • FIG. 23 shows the second wavelet resulting from the second line grid (FIG. 21);
  • Figure 24a shows a first wavelet for a reference measurement point R belonging to a pixel P taken with the first line grid ( Figure 20);
  • FIG. 24b shows a second wavelet for a reference measuring point R belonging to a pixel P recorded with the second line grid (FIG. 21);
  • Figure 24c shows an exemplary first wavelet for an object measurement point i belonging to a pixel P_i measured with the first line grid ( Figure 20);
  • FIG. 24 d shows an exemplary second wavelet WO 1 for an object measuring point i belonging to a pixel P i measured with the second line grid (FIG. 21);
  • FIG. 25 shows an exemplary triangulation arrangement with an internal scan arrangement with a controllable diaphragm arranged in the diaphragm plane;
  • FIG. 26 shows a first wavelet W 1 SLM which results at a first position of the aperture in FIG. 25;
  • FIG. 27 shows a second Waveiet W2 SLM, which results in a second position of the diaphragm opening in FIG. 25;
  • Figure 28 is an exemplary triangulation arrangement with an internal depth scan performed "on-the-fly"
  • FIG. 29 shows exemplary line grid structures
  • FIG. 30 shows an exemplary triangulation arrangement with an internal depth scan with a rotatable line grid
  • FIG. 31 shows an exemplary triangulation arrangement with an internal depth scan with a rotatable line grid
  • FIG. 32 shows a first rotational position of the rotatable line grid in FIGS. 30 and 31;
  • FIG. 33 shows a second rotational position of the rotatable line grid in FIGS. 30 and 31.
  • n FW OO «1.22 * [tan (beta_P) + tan (beta D)] / NA max (1) are estimated at least approximately well for triangulation angles beta P and beta D less than or equal to 45 °.
  • beta P is the triangulation angle of the projection
  • beta P is the triangulation angle of the detection.
  • the partial angles of the triangulation beta P and beta D are always determined between the principal ray and the normal of the focal plane.
  • the numerical aperture NA max represents the largest numerical aperture of This is preferably to measurement arrangements in which the total triangulation angle (beta P + beta D) does not significantly exceed 90 °, as in deep-shaped objects then also the problem of unwanted shading relevant becomes. It should be noted that only the numerical aperture NA of a beam path is suitable for the approximate estimation of the number of periods n_FW_00, where a depth scan also takes place. Only the effective pupil illumination in the sense of apodization can noticeably influence the results of the estimation.
  • Light is always understood in terms of electromagnetic radiation from the deep ultraviolet to terahertz range.
  • This confocal condition is always the principle in an external depth scan Conditionally respected.
  • An external continuous depth scan means that there is a continuous relative movement between the triangulation measurement arrangement and the measurement object. In this case, there is an at least approximately common sharpness plane of projection and detection, which in the continuous depth scan of the points of the test object are gradually passed through in the case of deep-shaped objects.
  • the observance of the confocal condition is indispensable when using triangulation measuring arrangements with an internal continuous depth scan and signals in wavelet form, if a comparatively simple signal evaluation is to take place. This adherence to the conical condition is not given a priori, but must be achieved by a specific mandl ing.
  • the observance of the confocal condition means for the principle with internal depth scan a permanent coupling in the sense of an at least approximate optical conjugation of one pixel of the line grid and each of a pixel reflected back into the object space - for example by the displacement of the line grid along the straight line gA to DE 198 46 145 AI.
  • one pixel of the line grid is carried in the visual beam of a pixel in the entire depth scan.
  • This optical conjugation of pixels should thus exist for the entire depth range of the depth scan and also for the entire measuring field, ie for the entire measuring volume.
  • Internally means that here only inner components of the arrangement are moved in the depth scan. To the outside, both the arrangement and the object to be measured remain at rest.
  • the distances of pixels of the line grid in the object space always aim at the pupil center of the imaging optics of the detection system in object space. Then a pixel in the entire depth scan detects one and the same object point.
  • the distances of pixels of the line grid in the object space represent straight lines which are generally at an angle to the optical axis of the imaging optics for the projection system.
  • the convergence point K l of the distances of pixels of the line grid in the object space in the case of object-side telecentricity is then at infinity, where the pupil with the pupil center PZ D of the detection system is located.
  • the lateral scan must take place such that the distances of pixels of the line grid in the object space are aligned parallel to the optical axis of the detection system in the object space. This is given when moving the line grid at telecentricity on the grating side of the projection optics along a straight line gA.
  • each pixel Only if the confocal condition is met can each pixel be assigned a constant initial phase which can be determined once or repeatedly by reference measurement in the signal wavelet, which is stored in the long term, so that a reference data record consists of reference phases.
  • a reference data record consists of reference phases.
  • the initial phase in a Tiefenscannende arrangement by means of line grid is initially unknown, since this is the random lateral position of a line grid in the triangulation results. This initial phase must therefore be determined at least once by a reference measurement and then stored permanently.
  • the reference measurement is advantageously a high-level and good light-scattering, bright and because of required mechanical stability and thick plate used, for example, similar to gypsum or opaque fine ceramics. This is considered to be visually cooperative.
  • a high mechanical long-term stability of the arrangement then ensures the constancy of the pixel-wise once determined phases of the reference measurement.
  • These pixel-wise then known initial phases are indispensable for the pixel-by-pixel determination of the depth position of the measuring points on the object, which thus always refers to a previously carried out reference measurement. example 1
  • Example 1 relates to a method for continuously deep-scanning strip triangulation with wavelet signal generation, in particular for the D-shape measurement in microscopy and mesoscopy, with a stripe-triangulation arrangement for structured illumination.
  • the method can be carried out with the arrangement shown in Figs. 2 to 12, 13, 14, 15a, 1 b, 17, 19 to 27 and 31 to 33.
  • the stripe-triangulation arrangement is
  • the front optics 412, 4121, 4122 can be embodied as a lens, a mirror lens, a mirror or as a di ffr2011-opti cal element, which is associated with the object space.
  • the Scheimpllug condition is preferably at least approximately fulfilled.
  • the continuous depth scan is through
  • n FW ue 6 below the full width of the contrast F envelopes. that is within the first two zeros (-1, +1), which hold the relationship in equation (1).
  • the number of periods n FW 00 is usually not more than five, so this device class is rather unsuitable.
  • Line gratings 21, 22, 24, 25, 26 in the triangulation with at least one light source 101 to 1 14 lit or the line grids are self-luminous.
  • the light from the line gratings 21, 22, 24, 25, 26 passes through the aperture 51 and the
  • Aperture level in the projection beam path through which the object is illuminated structured. For example, by beam combination, a coupling of the light from the separated line gratings in the projection beam path. Thus, there is only a single projection beam path, since the entire projection light passes the same projection beam path with the only front optics associated with the object space;
  • a single spatial light modulator 23 or a schaltbarcr structured light source eg, an OLED
  • a schaltbarcr structured light source eg, an OLED
  • the grating periods p_l and p_2 satisfy the two relationships: p_2> 1, 01 * p_l and p 2 ⁇ 100 * p 1.
  • the grating period p 2 is still regarded as a fine period and the designation p_2_f is used.
  • the beating period p 12 resulting from the two fine periods p_l and p_2_f determines the uniqueness range in the determination of the stripe order.
  • the grating period p_2 is regarded as a coarse period and is referred to as p_2_g.
  • This coarse period p_2_g determines the uniqueness range in the determination of the stripe order.
  • the beat grating period is preferably at least 3 fine grating periods p 1. If the second grating period is chosen as a coarse grating period, p_2_g, this is preferably at least 3 times the fine
  • the line gratings 21, 22, 24, 25, 26, which represent grids with a fixed grating period are either illuminated alternately in time, or the line grids are self-illuminators, even with a fixed grating period, and light up alternately in time.
  • the spatial light modulator is illuminated and from this, grating periods p_l and p_2 are successively switched.
  • the switchable structured light emitter preferably an OLED, successively switches grating periods p_l and p_2.
  • This is preferably computer-controlled.
  • Illuminated line grids, self-illuminators, illuminated spatial light modulators or switchable structured light emitters are always projected onto the measurement object through the same projection beam path.
  • the solid line grids can also be illuminated simultaneously with light of different color spectrum.
  • the grid lines are self-luminous, each with a different color spectrum.
  • the line grids are simultaneously projected onto the measurement object by the same projection beam path and thus there is a structured and colored illuminated measurement object and this measurement object is detected using the detection beam path of a screened light detector with at least two color channels.
  • the structured illumination is carried out in a continuous depth scan with at least two different line gratings by a single projection beam path of a projection optics.
  • the thus differently structured light thus reaches the object to be measured in all lighting situations, in each case via the same projection optics.
  • the arrangement of several projection optics in a triangulation measuring system is possible.
  • each individual projection optics brings at least two different light structures onto the measurement object at the same time or, in the case of spectral separation, simultaneously in the continuous depth scan resulting from the imaging of at least two line gratings.
  • the line grids preferably represent line grids.
  • the numerical aperture in the arrangement is increased to such an extent as will be shown below that an evaluation without 2Pi jumps is possible at least for cooperative measuring objects.
  • a sequence of images of the structured illuminated measurement object 6 is recorded in the continuous depth scan.
  • Light modulator - such as a liquid crystal (LCD) or a digital micromirror array (DMD) - or the switchable structured light source such as an OLED.
  • LCD liquid crystal
  • DMD digital micromirror array
  • OLED switchable structured light source
  • a temporal simultaneous illumination or a self-illumination of the two line grids with light, each with a different color spectrum generates a wavelet in each of the two color channels.
  • the wavelets W1 and W2 with the wavelet periods pw1 and pw_2 are respectively generated by the depth scan with a contrast envelope CE1 and CE2, and these wavelets W1 and W2 are stored separately in a digital memory.
  • At least one of the contrast envelopes CE_1 and CE2 is evaluated by means of the evaluation of the center of gravity as well as the phase evaluation of both the wavelet period pw1, which provides a phase value (phi modulo 2 Pi), and the phase evaluation the wavelet period pw_2, which provides a phase value (phi_2 modulo 2 Pi), respectively the depth position (z) of a suitable object point determined pixel by pixel by means of evaluation program.
  • the depth position is determined pixel-by-pixel by means of reference phase values (phi R 1, phi_R 2) of the wavelet periods pw_l and pw_2 given pixel-by-pixel.
  • These phase values (phi RI modulo 2 Pi, phi_R_2 modulo 2 Pi) were determined pixel-by-pixel by a reference measurement carried out in advance by means of a reference measurement object and stored in a data memory.
  • the depth position for a measuring point of the measuring object is calculated pixel-by-pixel from the calculated phase values (phi_0_l, phi_0_2 modulo 2 Pi) which correspond both to the reference phase value (phi R 1 modulo 2 Pi) of the wavelet period pw l and to the phase value ( phi_R_2 modulo 2 Pi) of the wavelet periods pw 2 in the vicinity of the calculated center of gravity (CoG 1) of the contrast envelopes of the wavelet Wl and / or the calculated center of gravity (CoG_2) of the contrast envelopes of the wavelet W2 from the measurement of the test object at least approximate.
  • the wavelet-based measuring technique provides the possibility of being able to obtain information on the measurement uncertainty of the measuring point based on the shape of the contrast envelope of the wavelet.
  • the control of the known nominal half-width of the wavelet of the array or the skewness of the wavelet can be monitored for detected wavelets, and in the case of significant deviations from half-width or symmetry of the envelope, this measured value can be discarded. Measurements of great uncertainty often show a dip in the contrast envelope or a noticeable skewness, ie an asymmetry, of the contrast envelopes.
  • the choice of the grating periods p 1 and p 2 with p_ 2 ⁇ 2 * p_l allows the wavelets W 1 and W 2 to have a beat with at least one beat period pw l 2 relative to one another, which is at least twice as large as the wavelet period pw_l of the wavelet W l.
  • the beat period pw_12 specifies the uniqueness range EDB.
  • the choice of the grating periods p_l and p_2 with p_2> 2 * p 1 makes the wavelet W2 significantly coarser than the wavelet Wl, the wavelet period pw 2 of the Wavelets W2 is at least twice as large as the wavelct period pw j of the wavelet W_l. In this case, the beat period pw 2 predetermines the uniqueness range EDB.
  • Example 1-3
  • the object under test is illuminated by telecentric means by means of a telecentric aperture in the projection beam path.
  • the measurement object is telecentrically imaged - by means of a telecentric aperture in the detection beam path.
  • a variation of the grating period is carried out.
  • Example 2 relates to an arrangement for continuously deep-scanning strip triangulation with wavelet signal generation, in particular also for 3-D shape measurement in microscopy and mesoscopy, with a stripe-triangulation arrangement for structured scanning Lighting. Exemplary embodiments of the arrangement according to Example 2 are shown in FIGS. 2 to 12, 13, 14, 15 a, 15 b, 17, 19 to 27 and 3, Ibis 33
  • the stripe-triangulation arrangement is
  • either the entire triangulation arrangement is moved in relation to the measurement object. This is an external depth scan. Or the movement takes place
  • the latter represents e.g. an internal depth scan dar.
  • the continuous depth scan is through
  • the continuous depth scanning strip triangulation arrangement there are at least two spatially separated line gratings 21, 22, 24, 25, 26 with different grating periods p 1 and p 2 are arranged, which are illuminated with at least one light source oradmileuchtcr are arranged. These are then preferably designed as OLEDs.
  • the aperture 51 of the projection beam path is always arranged downstream of both line gratings.
  • the light coming from the two line grids always passes the same aperture and the same projection beam path.
  • the triangulation angle is at least approximately the same, and thus the lighting conditions for the measurement object are also very similar.
  • the optical axis of the projection beam path in the array space (APA) to the optical axis of the detection beam path in the array space (ADA) arranged significantly inclined.
  • the optical axis of the detection beam path in the object space is preferably arranged parallel to the translation axis TA in the arrangement for continuously depth-scanning strip triangulation according to Example 2 or 2-1.
  • a pixel of the screened detector in each case at least approximately permanently assigned to a measurement point on the measurement object - at least in the case of telecentric imaging of the measurement object - via the imaging beam.
  • the continuous internal depth scan in the case of the significant inclination of the optical axes APA and ADA to each other - the phase in each pixel of the screened detector also changes continuously.
  • the phase in each pixel of the screened detector also changes continuously.
  • a telecentric lens is arranged on the side of the array space.
  • the phase change in the scan on the rasterized detector is at least approximately the same amount for all pixels to which pixels of the measurement object are assigned.
  • Example 2-4 Furthermore, in the arrangement for continuously deep scanning band triangulation according to any one of Examples 2 to 2-2 in the projection beam path preferably a double-sided telecentric lens is arranged.
  • a telecentric lens on the side of the array space is preferably disposed in the detection beam path.
  • a double-sided telecentric objective is preferably arranged in the detection beam path.
  • At least one grating is preferably designed as a spatial light modulator. This allows two different grating structures to be switched. This can be done in direct exchange. On the other hand, in particular, if it is a relatively slow light modulator relative to the screened detector, the first line grating with the fine period can be written in the trace, and the second line grating with a somewhat coarser period in the return line.
  • This approach provides two separate image stacks of separated wavelets taken at slightly different times. However, this requires a certain constancy of the measuring conditions and the stability of the measuring arrangement.
  • Example 3 relates to another exemplary method for continuously deep-scanning strip triangulation with wavclet signal generation, in particular also for 3-D shape measurement in microscopy and mesoscopy with a stripe-triangulation arrangement for structured illumination.
  • the method can be carried out with the arrangement shown in FIGS. 25 to 27.
  • the strip triangulation arrangement is provided with a projection beam path with a diaphragm 51, with a detection beam path separated from the projection beam path, with at least one screened light detector 71, 72, 73, 74, 75 with pixels, at least one computer system 17 with control and evaluation programs and computer-controllablefoldsmittcln 8, 81 formed for depth scanning.
  • the continuous depth scan is through
  • the fixed periodic grating 2 is illuminated with a period p, preferably a fine line grating, with at least one light source, preferably by means of an LED illumination.
  • this line grid 2 is an auto light.
  • this line grid can also be designed as a spatial light modulator.
  • SLM spatial light modulator
  • shutter either a spatial light modulator (SLM) or a laterally mechanically displaceable controlled shutter
  • the effective triangulation angle of the stripe-triangulation arrangement is controlled in a predetermined manner, so that successively at least two different effective triangulation angles beta 1 and beta 2 exist in the stripe-triangulation arrangement, which the two relationships beta_2> 1, 01 * beta _l and beta _2 ⁇ l, 25 * meet beta_l.
  • the geometric center of gravity of the diaphragm aperture or else the photometric center of gravity of the diaphragm aperture is varied.
  • a variation in the center of aperture also affects the triangulation wavelength, which has a direct influence on the wavelet period of the wavelet. This is preferably done after each individual image acquisition of the measurement object by means of a rastered detector.
  • the spatial light modulator or any type of controllable diaphragm with lateral displacement or a component with lateral displacement of the diaphragm center or of the photometric center of gravity is arranged in the diaphragm plane of the detection beam path, this leads to a thoroughly advantageous side effect. Namely, the effect that the numerical aperture of the detection beam path is smaller than the numerical aperture of the projection beam path in each case in the object space. This limits the image blurring during image acquisition in the scan. This is advantageous for fine-structured objects or for objects with a light-dark transition on the surface, e.g. in the form of a printed on the object surface black and white pattern.
  • the center of gravity of the aperture in the first state is always on the optical axis of the detection beam path and in the second state the aperture is decentered or second case are both focal points of the aperture in the same distance from the optical axis decentered the detection beam path.
  • This controlled aperture approach to varying the effective triangulation wavelength is particularly well-suited for more cooperative objects without appreciable fine structure and uniform light scattering, that is for the measurement of the deviation from the plane and the target shape of objects with rather low surface gradients.
  • a structured illuminated measuring object using two triangulation wavelengths when using only a single projection beam path if the imaging components thereof define the projection beam path.
  • the measurement object is detected by the use of the detection beam path of a screened light detector and in depth sc to a sequence of images of the structured illuminated measurement object is recorded.
  • wavelets with different wavelet periods can be generated.
  • a stack of images in the memory is recorded at temporally alternating aperture and from the image stack are generated by alternately reading two in the period different wavelets Wl and W2 with the wavelet period pw 1 and pw_2, and thereby corresponds the wavelet Wl with the effective triangulation angle beta 1 and wavelet W2 with the effective triangulation angle beta_2. Due to the continuous depth scan, these wavelets W1 and W2 each have a contrast envelope and these wavelets W1 and W2 are stored separately in a digital memory.
  • At least one of the contrast envelopes (CE_1, CE2) is evaluated by means of the center of gravity evaluation and by means of the phase evaluation both the wavelet period pw_l, which delivers a phase value (phi_0 1 modulo 2 Pi), and the phase evaluation the wavelet periods pw_2, which provides a phase value (phi O 2 modulo 2 Pi), each of the depth position z O of a reasonable object point determined pixel by pixel by means of evaluation program.
  • the depth position is determined pixel-by-pixel by means of reference phase values (phi R 1, phi R_2) given pixel by pixel of the wavelet period pw 1 and wavelet period pw 2.
  • phase values phi R l modulo 2 Pi, phi R 2 modulo 2 Pi
  • the depth position for the measurement object is calculated pixel-by-pixel from the calculated phase values (phi_l, phi_2 modulo 2 Pi), specifically the depth position, which corresponds both to the reference phase value (phi_R_l modulo 2 Pi) of the wavelet period pw 1 and to the phase value ( phi R 2 modulo 2 Pi) of the wavelet period pw_2 in the vicinity of the calculated center of gravity (CoG_l) of the contrast envelope of the wavelet W l and / or the calculated center of gravity (CoG 2) of the contrast envelope of the wavelet W2 from the measurement of the At least approximately match the object to be measured.
  • the calculated center of gravity (CoG_l) of the contrast envelope of the wavelet W l and / or the calculated center of gravity (CoG 2) of the contrast envelope of the wavelet W2 from the measurement of the At least approximately match the object to be measured.
  • the spatial light modulator is preferably arranged as a telecentric aperture in the projecting beam path.
  • This spatial light modulator (SLM) is preferably formed as a ferro-electric liquid crystal.
  • Example 3 In addition, in the method for continuously deep scanning band triangulation according to Example 3, a telecentric diaphragm is arranged in the detection beam path.
  • Example 3-2 a telecentric diaphragm is arranged in the detection beam path.
  • the spatial light modulator is preferably arranged as a telecentric diaphragm in the detection beam path.
  • a telecentric diaphragm is preferably arranged in the method for continuously depth-scanning strip triangulation according to one of Examples 3 to 3-2 in the projection beam path.
  • Example 4 relates to a method for depth-scanning strip triangulation with structured illumination, in particular also for 3D shape measurement in microscopy and mesoscopy with a strip triangulation arrangement for the structured illumination of at least one measuring object 6, 61, 62, 63 with a fixed line grid.
  • the method is based on the approach described in DE 41 34 546 AI and DE 41 34 546 C2.
  • the procedure can be performed with the arrangements shown in Figures 31 to 33.
  • the resulting wavelets are shown in Figures 5 to 7 and 8a to 8e.
  • the strip triangulation arrangement for the structured illumination of at least one measurement object with a fixed line grating 27 comprises:
  • the continuous depth scan is done by
  • the solid line grating 27 is illuminated with a period p with at least one light source, or this line grating is an auto-illuminator.
  • This line grid is rotated from the normal position with respect to the triangulation base by the angle psi, which is from 10A ° to 80 °, and computer-controlled rotating means 92 are associated with this fixed line grid.
  • the effective grating period p_eff of the strip triangulation arrangement is predeterminedly controlled by a rotational movement at least somewhat variable and thus exist in time successively at least two different grating period p_eff in the stripe triangulation arrangement, which the two relationships p_eff_2> 1.01 * p . _eff_l and p_eff_2 satisfy ⁇ 10 * p_eff_l.
  • a structured illuminated measurement object is given and this measurement object is detected using the detection beam path of a screened light detector 73 and the continuous depth scan, a sequence of images of the structured illuminated measurement object is recorded.
  • a stack of images is taken in a first rotational position and from the image stack is a Wavclcts Wl the Wavelet period pw 1 and generated by reading the rasterized detector, the wavelet Wl with p eff_ 1 corresponds.
  • a stack of images is recorded and generated from the image stacks each a wavelet Wl and W2 with the wavelet period pw l and pw 2. If you want to measure quickly, for example with a 100 Hz camera, it is difficult to perform the rotation of the line grid between each camera image acquisition.
  • a line grid with the grating period p is used, which is significantly rotated out of the normal position, namely 90 ° to the triangulation base, about the turning angle psi, eg clockwise.
  • a first rotation angle of, for example, psi 1 equals 40 °.
  • a first depth scan is performed with this line grid and a first image stack is taken, from which the wavelet W1 results for each pixel.
  • a first fine grating period p_l and then a second grating period p_2_f can be generated and the method described above can be applied by performing a second depth scan with the position of the rotatable line grating of psi 50 °, preferably in the return of the scan, and a second image stack is taken, from which for each pixel results in the wavelet W2, which is now something compared to the first
  • Wavelet Wl is somewhat stretched in this case. It is advantageous to use angle combinations in which the quotient cos (psi 1) / cos (psi 2) varies between 1, 1 and 1, 5. A quotient in the range from 1, 15 to 1, 33 represents an optimum. It holds that the first effective grating period p_ 1 here always represents the smaller of the two grating periods.
  • the two positions with the angles of rotation psi l and psi 2 can by mechanical stops with magnetic force in the sense of a bistable, robust mechanical construction with Drehlagerung - at least in the partial area of the full circle - be realized with high accuracy.
  • the mechanical stops for each rotational position can be highly accurate, robust mechanical stops.
  • the rotary adjuster can therefore be inaccurate in its adjusting movement, but must have so much game that the high-precision reaching the stop position is not hindered.
  • the stop can preferably be secured by magnetic force. The rotary adjuster must then work against the magnetic force when starting.
  • pivot bearing for example, includes a controllable drive to which no accuracy requirements must be made, as this performs only a little loose turning as fast as possible.
  • the two rotation angle positions should be secured as accurately as possible for the time between two calibrations.
  • Example 6 relates to a further arrangement for continuously deep-scanning strip triangulation with internal depth scan with structured illumination and with wavelet signal generation, in particular also for 3-D shape measurement in microscopy and mesoscopy, with a stripe-triangulation arrangement for structured illumination , Exemplary embodiments of the arrangement according to example 6 are shown in FIGS. 14, 1 5a, 16a, 16b, 16c, 16d, 16e, 16f, 16g, 17, 18, 25.
  • Wavelet signal generation may involve the generation of one or more wavelets.
  • the stripe-triangulation arrangement is
  • At least one computer system 17 with control and evaluation programs and with computer-controlled movement means 81 for internal continuous depth scan In this case, the movement of at least one illuminated line grid 21, 22, 25, 26 takes place in order to perform the depth scan as an internal scan.
  • At least two plane mirror surfaces 491, 492, 441, 442, 451, 542, 471, 472 are in the triangulation arrangement for beam deflection in the optical path from the line grid 21, 22, 25, 26 to the measurement object 6, 61, 62, 63 and the measurement object to the rasterized detector 73 - arranged and the difference in the number of reflections at plane mirror surfaces in the projection and in the detection beam path is zero or even.
  • the number of reflections can be one in the inner beam path (beam path between object and line grating, or between object and rasterized detector) both in the projection and in the detection beam path. However, the number of reflections can also be two in both the projection and in the detection beam path.
  • the number of reflections in the projection beam path is preferably two and zero in the detection beam path, since the known simple straight-ahead construction then results for the detection beam path.
  • the computer-controllable movement means are formed by means of translation carriages 81 which carry both the screened light detector 73 and at least one illuminated line grid 21.
  • the screened light detector 73 and at least one illuminated line grid 21 are rigidly coupled to the translation carriage 81.
  • the triangulation angle is preferably 45 ° and the projection beam path and the detection beam path are preferably formed by means of double-sided telecentric imaging stages.
  • the movement path of the line grid is imaged in such a way that its image in the object space is parallel to the movement path of the screened detector, whose image also takes place telecentrically in the object space.
  • the moving distance of the screened detector is aligned parallel to the optical axis of the detection lens, and the sharpness areas for the line grid image and the backscattered detector image coincide in the object space.
  • This triangulation arrangement designed in this way now has an insensitivity to the phase at axially perpendicular object areas in relation to guide errors transversely to the direction of translation of the translation slide, since the image of a gated element and a pixel image move in the same direction.
  • an angle mirror 491, 492, 44, 45, 47 or an angle mirror prism 448, 458, 413 433, 423. 4131, 4132 for beam deflection in the projection or in the detection beam path is preferred arranged.
  • the angle mirror prism is as a pentaprism 413, 423, 4131, 4132 or
  • Angle mirror is formed as a 45 ° angle mirror in air 44, 45, 472, resulting in a 9ü ° beam deflection.
  • the triangulation angle is 45 °
  • the projection beam path and the detection beam path are preferably formed by two-sided telecentric imaging stages.
  • the magnification of the two imaging stages has the amount 1.
  • the triangulation angle ⁇ p is preferably 45 °, and the planes of the two line grids and the plane of the rasterized detector are aligned parallel to each other and the translation axis TA is perpendicular to the plane arranged the rasterized detector.
  • the principal ray and translation axis TA are aligned in parallel.
  • the projection main beam 1 and the translation axis are aligned 45 ° to each other and there are no or two reflections in the proj etechnischs-Snahl engang - viewed from the line grid to the measurement object - and exactly two reflections in the detection beam path - viewed from the measurement object to the screened detector - instead.
  • the optical axis (ADO) of the detection beam path is preferably perpendicular to the coincident focal plane of the projection and detection beam paths (F PD) object space.
  • Embodiment are e.g. shown in Figures 13, 14 and 25.
  • the telecentric aperture as a controllable spatial light modulator, preferably as a liquid crystal display (LCD) is formed.
  • LCD liquid crystal display
  • the controllable spatial light modulator is preferably formed as a ferroelectric liquid crystal which can laterally shift the center of the aperture in the kilohertz region.
  • the effective triangulation wavelength between the shots of individual camera images can be changed abruptly and thus a stack of images can be generated, from which two wavelets with different periods can be generated in a nested manner, such as e.g. shown in Fig. 25.
  • the arrangements according to the following examples 7-x) are proposed.
  • these arrangements can be used in a continuous depth scanning process. But even with a method with a stepwise depth scan, these arrangements are to be used with advantage.
  • these arrangements (R1 and R2 and R5) can also be used to advantage in a wavelet generation process. One or more wavelets can be generated.
  • Example 7-1 relates to an arrangement for continuously deep-scanning strip triangulation with wavelet signal generation for the three-dimensional detection of an object with an internal depth scan. Exemplary embodiments of the arrangement according to example 7-1 are shown in FIGS. 13, 14, 15a, 15b, 16a, 16c, 16d, 16e, 16f and 31.
  • the arrangement is:
  • a computer-controllable translation system associated with the line grid and the screened detector.
  • At least two planar mirror surfaces in the form of an angular mirror arrangement 491, 492 are arranged in the projection beam path and the total deflection angle delta of the angular mirror arrangement 491, 492 in the projection beam path ⁇ viewed from the line grid to the measurement object has twice the angular amount of the triangulation angle beta and at least the one line grid as well as the at least one rasterized detector are rigidly associated with the translation system for depth scanning. Both projection beam path and Dctektionsstrahlengang have the magnitude of the magnification one.
  • Example 7-2 relates to an arrangement for continuously deep-scanning strip triangulation with wavelet signal generation for the three-dimensional detection of an object with an internal depth scan. Exemplary embodiments of the arrangement according to Example 7-2 are shown in FIGS. 17 and 18.
  • the arrangement is structured as follows:
  • a computer-controllable translation system 81 which is associated with the line grid 21 and the screened detector 71, 73.
  • At least two planar mirror surfaces in the form of a 90 ° angle mirror or Pentaprismas 4131, 4132 are arranged in the projection beam path.
  • the magnification of the object space into the array space is chosen equal to the square of the tangent of the triangulation angle beta P and both at least the one line grating and the at least one screened detector are rigidly associated with the translation system for the purpose of depth scanning.
  • Example 7-4 Preferably, two projection beam paths are arranged for the arrangements according to Example 7-1 and Example 7-2 for continuously depth-scanning strip triangulation.
  • Example 7-4 Preferably, two projection beam paths are arranged for the arrangements according to Example 7-1 and Example 7-2 for continuously depth-scanning strip triangulation.
  • Example 7-4
  • the two projection beam paths are preferably arranged symmetrically to the optical axis of the detection beam path.
  • Example 7-5 relates to another arrangement for continuous depth scanning strip triangulation for three-dimensional detection of an object with an internal depth scan. Exemplary embodiments of the arrangement according to Example 7-5 are shown in Figures 16e, 16f and 16g.
  • the arrangement is structured as follows:
  • a computer-controllable translation system associated with the line grid and the screened detector.
  • At least two plane mirror surfaces are arranged in the detection beam path in the form of an angle mirror arrangement 491 and the total Ablenkwi nkel delta of the angular mirror assembly in the detection beam path has twice the angular amount of Triangulationswinkeis beta and the translation axis TA represents the bisector to the optical axis of the proj ecti on sstrah I enganges the line grid
  • Both the at least one line grid and the at least one rasterized detector are rigidly associated with the translation system 81 for depth-of-field scanning.
  • the magnitude of the magnification of the projection beam path and the detection beam path has the magnitude equal to or equal to one.
  • the approach with the generation of a wavclet signal can also be used here.
  • the line grid may also be represented by a spatial light modulator.
  • the two detection beam paths are arranged symmetrically to the optical axis of the projection beam path.
  • both the projection beam path or the projection beam paths and the detection beam path or the detection beam paths are formed on both sides telecentric, each with a telecentric aperture.
  • the line grating is formed as a spatial light modulator.
  • Examples 8-x relate to deep scanning stripe triangulation arrangements for three-dimensional detection of an object with an internal depth scan. In this case, the generation of one or more wavelets is not absolutely necessary, the arrangements can also for depth-scanning strip triangulation for three-dimensional detection of a Object can be used with an internal depth scan without wavelet et-Erzcugung.
  • Example 8-1 Exemplary embodiments of the arrangement according to examples 8-x are shown in FIGS. 28 and 29 (example 8-1) and in FIG. 30 (example 8-2).
  • Example 8-1 Exemplary embodiments of the arrangement according to examples 8-x are shown in FIGS. 28 and 29 (example 8-1) and in FIG. 30 (example 8-2).
  • Example 8-1 Exemplary embodiments of the arrangement according to examples 8-x are shown in FIGS. 28 and 29 (example 8-1) and in FIG. 30 (example 8-2).
  • Example 8-1 Exemplary embodiments of the arrangement according to examples 8-x are shown in FIGS. 28 and 29 (example 8-1) and in FIG. 30 (example 8-2).
  • Example 8-1 relates to an arrangement for depth-scanning stripe triangulation for three-dimensional detection of an object having an internal depth sc, comprising:
  • At least one projection beam path which is formed on both sides telecentric, at least one spatial light modulator 23, preferably as a liquid crystal
  • At least one separate from the projection beam path detection beam path which is formed on both sides telecentric, with an amount of the magnification beta strich less than or equal to 5.
  • the arrangement further comprises a computer-controllable translation system 81 for the internal continuous depth scan, at least one rastered detector 73 for image acquisition of the structured illuminated object, and a computer system 81 with Stcu mecanics- and Ausireprogrammen.
  • the spatial light modulator and the rasterized detector are rigidly associated with the computer-controllable translation system for internal continuous depth scanning.
  • At least one angle mirror 44, 45 with two plane mirror surfaces 441, 442, 451, 452 is arranged in the detection beam path and the projection beam path is unfolded or has at least one planar mirror pair.
  • the projection beam path is preferably formed in a straight-ahead design.
  • the optical axis of the projection beam path (APA) and the optical axis of the detection beam path (APO) are parallel in the array space and the projection beam path is perpendicular to the focal plane F PD.
  • the spatial light modulator and the rasterized detector are moved together in depth. The spatial light modulator is thus perpendicular to the optical axis and the
  • Detection beam path an angle with the amount kappa_D (kappa dl, kappa D2) at least approximately of kappa D-amount ⁇ aretan [beta_strich_D * tan (beta)] ⁇ (3.1).
  • the projection beam path is preferably arranged centrally in a triangulation arrangement with a continuous depth scan according to Example 8 and is surrounded by at least two detection beam paths.
  • Example 8-3 relates to an arrangement for depth-scanning stripe triangulation for the three-dimensional detection of an object 6, 61, 62, 62 with an internal depth scan, comprising:
  • At least one projection beam path which is formed on both sides telecentric, at least one spatial light modulator 23, preferably formed as a liquid crystal display or micromirror array,
  • At least one detection beam path separated from the projection beam path which is formed on both sides telecentric, with an amount of the A bbi mentation scale beta_strich less than or equal to 5.
  • At least one screened detector 73 for image recording of the structured illuminated object
  • At least one computer system 17 with control and evaluation programs are at least one computer system 17 with control and evaluation programs.
  • the spatial light modulator 23 and the rastered detector 73 are rigidly associated with the computer-controllable translation system 81 for internal continuous depth scanning.
  • At least one angle mirror 47 with two plane mirror surfaces 471, 472 is arranged in the projection beam path or a plurality of plane mirror pairs are arranged in the projection beam path and the detection beam path is unfolded.
  • the optical axis of the projection beam path (APA) and the optical axis of the detection beam path (APO) in the array space are parallels.
  • the Scheimpflug condition is complied with and the planes of sharpness of the projection beam path and the detection beam path are always parallel with the two-sided telecentric projection beam path and the detection beam path.
  • the sharpness surfaces always coincide in object space in the entire depth scan - with a corresponding one-time adjustment.
  • Beisj2ieL8 . -4 The detection beam path is preferably arranged centrally in a triangulation arrangement with a continuous depth scan after the example 8-3 and is surrounded by at least two projection beam paths.
  • a pattern stack with at least one chip of a rastered receiver is continuously recorded with structured illumination of the object.
  • either the size of two different triangulation wavelengths with the periods lambda T 1 and lambda T 2 is changed in an alternating manner, wherein the structured light thereby comes from the same projection optics.
  • both triangulation wavelengths with the periods lambda_T_l and lambda_T_2 exist simultaneously.
  • no additional phase shift is introduced.
  • the images of the illuminated object can be stored in a single stack of images when the image is captured by means of a single camera chip.
  • a two- or three-chip camera can be used and there are several image stacks.
  • an additional (narrower than the full width of the wavelet FW_00) and reliably usable uniqueness range (in microns) F.DB is provided.
  • the uniqueness range should amount to a maximum of only 0.5 times the extent of FW_00 (p_I) for the first fine line grid.
  • n_FW_00> 10 ie more than ten periods below the envelope, since wavelets of real line lattices are often also somewhat asymmetric.
  • a period ratio of 6: 7 or 7: 8 is good for a beating, since period lengths are still approximately equal and thus both signal paths can contribute by averaging to reduce the measurement uncertainty.
  • the results of the signal with the somewhat coarser period are practically or hardly subject to greater uncertainty of measurement than those of the shorter ones due to known experience.
  • the beating wavelength is already large enough to avoid 2Pi-hop errors as much as possible.
  • Strip triangulation with a continuous depth scan in particular produces wavelets with a dominant frequency.
  • lock-in approaches [4], [5] are favored for the phase evaluation, since this frequency is known in advance and is generally highly stable.
  • Arrangements with an external continuous depth scan basically represent the better measuring method in terms of measurement uncertainty, since the optics in the object space only work around the focal plane in a very narrowly defined depth range. This relaxes the demands on the correction of the optics with regard to aberrations - such as distortions - in the depth substantially, since the Telczcntrie and the directory freedom are to be ensured only in a small depth range.
  • a very precise relative movement between the measurement object and the measurement arrangement must be generated.
  • Significant technical challenges are encountered with an external depth scan when measuring comparatively large objects should, for example, with lateral dimensions above 50mm. Then a comparatively large optical arrangement must be precisely moved in depth.
  • Arrangements with an internal continuous depth scan are particularly suitable for larger objects to be measured, such as fine details on automobile obi 1 engine blocks, in which even larger measurement volumes with measurement depths significantly greater than 5 mm occur.
  • the large mass measurement object is difficult to precisely move in depth.
  • the optical measuring device With a depth measuring range above 5 mm, however, the optical measuring device also has a large or very large volume of construction because of the optics with large focal lengths that are generally then to be used in this case - usually then already with focal lengths above clearly 50 mm.
  • this measuring arrangement already has a considerable mass. Therefore, the approach with the internal depth scan is a very good alternative, since in this case only one or two line grids and the rastered detector must be moved.
  • phi l O i, phi 2 0_i determines the depth position by calculation where the object-phase pair (phi l O i, phi_2_0_i) best to the stored reference phase pair (phi 1 R_ i, phi 2 R i) one previously performed reference measurement - even taking into account the phase difference (delta phi 12 R i mod 2Pi) of the object-phase duo - for the measuring point P i fits.
  • This can be either two fine phases, resulting from two fine grating periods (p_l, p_2_f), or a fine and a coarse phase resulting from a fine (p_l) and a coarse grating period (p_2_g) act.
  • Measuring point P_i both fine phases phi l O i and phi 2 Oi be used. This corresponds to an averaging, which makes sense especially if the two fine grating periods are not very different. Thus, the best signal-to-noise ratio for the determination of the depth position for a measuring point P_i should be achieved.
  • first depth scan with a first line grating with the grating period p_l and to exchange the line grating in a second depth scan by means of a computer-controllable device for pushing a carrier of different line gratings and thus another line grating with a slightly different grating period p_2 into the beam path use.
  • the second depth scan with the second inserted line grid can then be done in the return.
  • It can be fixed line grids (which are self-illuminants or illuminated by one or more light sources), controllable line grids (eg LED arrays) or controllable spatial ones
  • Light modulators such as liquid crystal modulators, micromirror arrays, etc.
  • the prior art has only one projection stage for structured illumination and two detection stages with one camera each. With large measuring volumes, a lot of light is needed, which means that a lot of energy is needed and thus generates a lot of disturbing heat in a precision arrangement. Thus, the restriction to a projection level is usually very useful.
  • Figures la to 11 show triangulation arrangements according to the prior art is shown in the figures la to I L. Embodiments of the invention are described in conjunction with Figures 2 to 33 and eleven embodiments without their own figure.
  • FIG. 1b shows the contrast function in the lattice imaging at different depths
  • FIG. 1c shows the implementation of this approach by means of a stereomicroscope, the object here experiencing an oblique scan, but parallel to the optical axis of the detection optics, so that the image does not emanate on the camera.
  • the figure Id presents an example of a stereomicroscope, which is formed as a compact unit controlled in depth slidable to perform an external depth scan, sa
  • FIG. 1 The wavelet resulting from measurement, published in [4] as FIG. 7b, is shown here in FIG.
  • the stereomicroscope there is a comparatively large aperture diameter of about 15 mm free aperture with a comparatively small triangulation base of 24 mm, which represents the distance of the aperture centers of the stereomicroscope and a lens used with a focal length of 80 mm.
  • Figure le shows a wavelet taken with these parameters of the stereomicroscope, which has almost 5 full periods under the envelope.
  • Such a low number of periods n FW 00 thus represents a special case for triangulation arrangements, which will not be considered further here.
  • the image shift which results from the angle between the friction of the actuator and the optical axis of the detection channel, must be corrected numerically. It is a virtual pixel formed. In this case, parallelism between the slider direction and the optical axis of the detection channel is to be preferred, since such a pixel always detects the same object point in depth and supplies a wavelet from this object point.
  • the observance of the confocal condition ie the permanent coupling (optical conjugation) of one pixel of the line grid and one pixel each imaged into the object space - realized here by the displacement of the line grid along the straight line gA - is in the internal depth scan with wavelet evaluation important. Internally means that here internal components of the arrangement are moved. Only if the confocal condition is met can each pixel be assigned a constant initial phase which can be determined once or repeatedly by reference measurement in the signal wavelet, which signal stored long-term, so that a reference data set consists of reference phases.
  • the initial phase of a depth-scanning arrangement using a line grid is initially unknown and must be determined and stored at least once by a reference measurement.
  • a reference measurement advantageously high level and well light-scattering bright and because of mechanical stability also thick plate is used, for example, similar to gypsum, which is regarded as an optically cooperative object.
  • a high mechanical long-term stability of the arrangement then ensures the constancy of the pixel-wise once determined initial phases from the reference measurement.
  • These pixel-wise then known initial phases are necessary for the pixel-by-pixel determination of the depth position of the measuring points on the object, which thus always refers to a previously carried out reference measurement.
  • FIG. 1h with an internal depth scan, taken from FIG. 4 of PCT / DE00 / 00991 (WO 00/66972), is constructed with knowledge of the Scheimpflug condition such that the distances BS Oj of the traveling pixels of grating elements BA Always aim at the pupil center PZ OA of the detector lens. Thus, these distances BS Oj coincide with the visual beams ABS of the detector lens (2).
  • FIG. 1 illustrates the wavelets with congruence envelope resulting from an object and a reference measurement, from the displacement of which object point w ei s the phase difference delta phi grating can be determined with reference to a reference measurement.
  • the depth information can be determined obj ekt Vietnameseweise from this phase difference delta_phi_Gitter.
  • Arranging the center PZ OA of the diaphragm for detection at the intersection point Kl of the object-side S cheimpfiug-G eraden leads to the confocal approach. This means a permanent coupling of the pixels of the grid with the pixels of pixels of the rastered receiver in the object space, so permanent confocality, even if the rasterized receiver is synchronously moved in depth accordingly.
  • the phase at the center of gravity of the contrast envelope of a wavelet also remains at least approximately constant in different depth positions of an object point, which represents a significant advantage for the evaluation.
  • this applies only in a limited depth range, which in particular depends on the quality of the telecentric
  • the array-pupil of the objectives should lie at infinity.
  • the figure Ii represents on both sides telecentric imaging stages for projection and for the detection of a structured illuminated object.
  • An internal depth scan is performed, since a line grid (here reference numeral 3) and the camera chip (here reference numeral 6) are moved. This is shown in the prior art, s. DE 199 19 584 A1, FIG. 18.
  • An element j of the grating (here reference numeral 3) is moved along the distance BS Aj.
  • the image of this distance in the object space is BS Oj and is aligned parallel to the optical axis of the detection objective, thus aiming in the object space into the infinity pupil of the telecentric detection objective.
  • FIG. 1j represents a typical wavelet which can be generated pixel by pixel by means of an arrangement according to FIGS. 1 f, 1 h or 1 i by means of a measurement.
  • This measured wavelet was taken from publication [7)], Figure 2. It can be clearly seen that the zero-order stripe is not so obvious in the relatively large number of periods under the contrast envelope. Nevertheless, finding the zeroth order by means of evaluation of the center of gravity, at least on cooperative surfaces, still works comparatively well. h., it is quite rare to identify a wrong fringe order as the zeroth, which can then be felt as a 2Pi jump in the phase map.
  • the figure lk presents a symmetric wavelet, which can be recorded at a cooperative object point O.
  • a symmetrical wavelet results, for example, at an axially perpendicular and light-scattering region of the object, shown in detail in detail.
  • the storage delta z CoG coop MW of the calculated point of intersection by means of the data of a real measured value from the center of the wavelet lies clearly below the period pw, which defines the uniqueness region EDB. That's one Identification of the stripe order also possible by different numerical Auswre-te- methods usually safe.
  • FIG. 11 presents an asymmetrical wavelet which can be recorded at a non-cooperative object point O.
  • An asymmetrical wavelet results, for example, on a strongly inclined region of the object or else on an object edge, shown in detail Det. IL.
  • the storage delta_z_CoG_nicht-koo MW of the calculated center of gravity by means of the data of a real measured value from the middle of the wavelet is significantly above the period pw, that is greater than the unambiguity range EDB, so that an identification of the strip order by different numerical evaluation methods in the Usually not or hardly possible.
  • FIG. 2 shows a continuous focus scanning triangulation arrangement with the double wavelet approach with an external continuous scan for high demands.
  • the triangulation angle is 30 °.
  • For the external scan comes here not shown continuously moving translation slide 8 with regulated by measuring system 10 linear actuator 9 and with high accuracy, not shown here zero encoder 1 1, so that the starting process can always start with high accuracy in the same z-position, Application.
  • the computationally controlled pulsed first green-colored light source 101 which is arranged upstream of the line grating 21 for illumination
  • the second computer-controlled pulsed green-colored light source 102 which is arranged in front of the line grating 22 for illumination, an alternating illumination of the two line grids 21 and 22.
  • the light from the two line gratings passes through the neutral beam splitter cube 31 through the band pass color divider 32 for green light with the bandpass color divider layer system 321 which transmits at least 90% green light and at least 90% blue and red light. reflected in the telecentric imaging stage 41.
  • the light source 103 which continuously emits red and blue light in the depth scan, serves to illuminate the measurement object 6 in order to be able to produce a color image of the object.
  • the light also passes into the telecentric imaging stage 41 via the bandpass color splitter 32 which reflects at least 90% of the blue and red light.
  • the light source 103 which constantly emits red and blue light in the depth scan, is used for object illumination to produce a color image of the object.
  • the light passes through the bandpass color divider 32 and the telecentric imaging stage 41 on the measurement object 6, which is colored as a color print, and illuminates this measurement object 6 unstructured.
  • the selected measuring field has a diameter of 8mm.
  • a color camera 71 with a half-inch chip 711 is used. After each image acquisition, the illumination of the other line grid takes place.
  • the color camera chip 71 is formed with Bayer mosaic filters.
  • the green pixels of the RGB chip 71 1 detect the stripes. By means of the simultaneous red and blue illumination of the object and the green channel, the object color is determined.
  • the number of periods under the contrast envelope n_FW_0 () for 30 ° and NA_P-0.04 with equation (1) is approximately 18 periods.
  • the depth measuring range is 8 mm. For this purpose, a depth scanning range of a maximum of 10 mm results because of the necessary lead and lag.
  • a computer system 17 is assigned to the depth-scanning measuring arrangement. This computer system 17 also assumes the calculation of 3 D-point clouds. On the display 171 of the computer system 17, the measured 3 D-point cloud from the measurement object 6 is shown.
  • a possible principle for the determination of a 3D point cloud is the following: In a depth-scanning reference measurement on a plane plate, in the best focus position, the phases modulo 2 i are determined for a shorter wavelet W 1 and a slightly longer wavelet W 2, based on the Scanning grid, and whose phase difference modulo 2Pi mitteis multi-point evaluation determined and stored.
  • FIG. 3 shows the transparency of the line grid 21 with cosine-square-shaped transparency with a fine grating period p_l.
  • FIG. 4 shows the transparency of the line grating 22 with the grating period p_2.
  • the ratio of the periods here is 5: 6.
  • the beating period is p 12, which is 6 times p_l and 5 times p 1.
  • FIG. 5 shows the first wavelet W 1 over the scanning path z_s, which results from the fine line grid 21. Shown is the contrast envelope CE 1 and the depth position z CoG 1 calculated from the center of gravity of the contrast envelope of the wavelet.
  • FIG. 6 shows the somewhat longer second wavelet W2 with the somewhat lower spatial frequency in comparison to the first wavelet W1, which is derived from the fine line grating 22.
  • the wavelets are shown in Figures 5 and 6 because of the better recognizability with solid lines. In reality, however, wavelets with discrete measuring points result. These parameters result in each case approximately 6 to 7 periods with at least 50% of the maximum amplitude. Each wavelet is obtained pixel by pixel from a stack of images.
  • the intensity values are sorted out alternately from the image stack and stored separately. The individual signal values are thus created a little later.
  • Each wavelet is nested in time.
  • the value dclta z CoG 12_f_i shows the difference of the center of gravity positions in a pixel i.
  • This value delta_z_CoG_ 12_f_i is ideally zero, but is caused by signal noise and sampling errors in the creation of the wavelets.
  • the focal points CoG1 and CoG_2_f of the two contrast-enclosing CE_1 and CE_2 of the wavelets W1 and W2 are determined. From this, the difference of the center of gravity positions delta_z_CoG_l 2_f is calculated.
  • a dense coexistence of CoG 1 and CoG_2_f, ie a low value of dclta z CoG 12_f, is an indication of a generally high signal quality and good mechanical stability of the arrangement as well as an accurate Scanning in the depth. In each case, the phases for both signal courses at the center of gravity are calculated.
  • FIG. 7 shows a model of the beating of the two fine line gratings 21 and 22 in the form of a wavelet with the beat period pw 12, whereby the wavelet is shown here in a simplified manner as a continuous pattern, even though it is only present in discrete values during a measurement.
  • FIG. 8a shows the wavelet WR1 for a reference measuring point R belonging to a pixel P, the reference measuring point R and the pixel P being optically conjugate.
  • the reference signal was picked up by means of pixel P.
  • the wavelet WR1 comes from a stack of images, which was measured and generated with the fine line grating 21 with the grating period p_l on a white light-scattering plane plate as reference object at a reference point R.
  • the reference object represents a very cooperative light surface with lateral very uniform light scattering for triangulation.
  • This reference plane plate is always perpendicular to the optical axis of the detection beam path. This position of the reference plane plate always applies to all reference measurements.
  • the light source 101 for the line grating 21 is always switched on during the image acquisition for the wavelet WR1 and the light source 102 for the second line grating 22 is always switched off, this being done in quick change according to the image acquisition frequency of the camera 71 takes the camera chip 701 in the depth scan.
  • the sampling comb AK is shown here only symbolically. In general, it is sampled a bit more densely, for example, with 9 sample points per period in the sample.
  • the depth position z RI CoG can be determined from the wavelet signal WR for each reference point R from the wavelet WR1 by means of the known center of gravity calculation, that is to say by determining the centroid of the contrast envelope of the wavelet.
  • the phi RI CoG phase is determined and stored at the centroid of the contrast envelope.
  • FIG. 8b shows the reference signal in pixel P measured with the second, somewhat coarser line grating 22 with the grating period p_2_f at the same reference point R of the reference plane plate.
  • FIG. 8c shows the calculated beat of the reference signals or reference wavelets. This beat in FIG. 8c is only shown in order to detect the unambiguity range EDB, which corresponds to the beat period pw_12. There is no phase evaluation for the beat signal here.
  • FIG. 8d illustrates a wavelet WO1 for an object measuring point i belonging to the pixel P_i.
  • the object measuring point O.sub.i and the pixel P_i are optically conjugate, the writing of the index i being dispensed with again below.
  • This signal WO1 was determined during an object measurement on a very cooperative measurement object with the fine line grid 21 (p 1). Due to the position and shape of the object, the depth position of the object measuring point O generally results in a different depth position than in the reference measurement. Consequently, the object wavelet WO1 is shifted relative to the reference wavelet WR1 on the z_s axis, that is to say in the depth.
  • This shift includes the measurement information about the depth of the object point O with respect to the reference measuring point. It is determined by gravity analysis of the value z O l CoG and in the vicinity of each of the locations of the phase phi RI CoG determined, in which case only the location z O 1 is shown.
  • FIG. 8e illustrates wavelet W02 for an object measuring point i, measured with the coarser line grid 22 (p_2_f). In the vicinity of the center of gravity, the locations of the phase phi R 2_f CoG are determined. Finally, the location z O in the vicinity of the center of gravity z_0 1 CoG is determined, at which the phase pairs from the wavelets WO1 and W02 at the best match the phase pairs from the wavelets WR 1 and WR2.
  • the use of the two-wavelet approach could still be dispensed with. But for wavelets with 20 or more periods and a certain asymmetry of the contrast envelopes, the use of the two-wavelet approach is indispensable.
  • the threshold value delta z waste preferably has half the period length of the line grid 21 with the period length p_l.
  • phase value phi_R_12 CoG is determined at the depth position z R CoG 1 or at the depth position z_R CoG_2_f or at the averaged depth position z R mean. The latter is preferred, so this is then the phase value phi R 12 CoG medium.
  • phase value phi R 12 CoG_sch is stored at the phase value phase value phi R 12 CoG_sch as well as the phase values phi_R_CoG_l and phi R CoG_2_f for all valid pixels.
  • Contrast center of gravity CoG is always derived from a fine line grid, ie here from the fine line grid 21 with the period p_l, so that the contrast center of gravity CoG l is determined by calculation.
  • the contrast center of gravity CoG 2_f from the fine line grating 22 with period p_2_f is only used to assess the signal quality via storage to CoG 1.
  • FIG. 9 shows an arrangement for an approach for an external depth scan.
  • the structured light is generated by means of a green-colored cold light source 104, which is permanently switched on in the depth scan, and with a spatial light modulator (SLM) 23, which is designed as a micromirror array. This is thus used as a controllable line grid.
  • SLM spatial light modulator
  • the grating periods p_l and p_2_f are generated sequentially, the ratio here being 5: 6.
  • the light modulator 23 is switched over to another period of the line grating.
  • FIG. 10 shows a line grating inscribed by means of a spatial light modulator 23 with the grating period p_l_SLM at a time t 1
  • FIG. 11 shows a line grating inscribed by SLM 23 with the grating period p_2_f SLM at a time t2.
  • Each wavelet is obtained pixel by pixel from an image stack.
  • the intensity values are sorted out alternately from the image stack and stored separately.
  • FIG. 12 shows an arrangement with an external depth scan, in which the color of the measurement object 6 can also be determined.
  • the arrangement uses the double wavelet Approach in which two fine line gratings are alternately illuminated and used to obtain two wavelets.
  • the numerical apertures are 0.04 each.
  • There are two fine line grid 21 and 22 are used, which are alternately illuminated by the light source 1 1 1 for the line grid 21 and the light source 1 12 for the line grid 22.
  • the light source 1 1 1 is formed in the spectrum both with a strong light component with a focus at the wavelength of 580 nm, which drops to zero to 550 nm to zero, as well as with a broadband red component.
  • the spectral range from 550nm to 580nm is reserved for the line grid 21.
  • the light source 112 is formed in the spectrum both with a strong light component with a focus at the wavelength 520 nm, which drops to zero at the wavelength of 550 nm, as well as with a broadband blue component.
  • the spectral range from 520 nm to 550 nm is reserved for the line grating 22.
  • the light sources 1 1 1 and 1 12 are alternately pulsed. Both light sources are computer-synchronized to a 2-chip camera 72, which has an edge color divider 34 for the transmission of green light, which is structured.
  • the color correction of the telecine imaging stages 41 and 42 must be particularly good in the spectral range from 520 nm to 580 nm.
  • the external depth scan is performed by means of precision translation slide 8 and drive 9, which is formed with a translation measuring system 10.
  • the telecine imaging stages 41 and 42 are well chromatically corrected to the wavelengths 535nm and 565nm since these are also the centroid wavelengths of the two peaks of the light sources.
  • the detail 12.1. shows the timing of the exposure and the indication of the respective spectral range of the light source.
  • the detail 12.2 shows the emission spectrum of the light source 1 1 1 and the detail 2.3 shows the emission spectrum of the light source 112.
  • the detail 12.4 shows the transmission of the color divider 341 in the spectral range from 520nm to 580nm, which is used for the measurement by means of chip 721.
  • the chip 722 detects only intensities to determine the color of the object.
  • the chromatic correction of the optics also does not have to be perfect if there are no extreme requirements for the lateral color information of the measuring object 6.
  • the monochrome chip 721 of the camera 72 alternately detects only structured light in the spectral range from 520 nm to 580 nm from the light sources 11 1 and 12. Only by means of this monochrome chip 721 phase information is obtained. From the amplitude of the green component can be calculated become.
  • the monochrome chip 722 gets light in the spectral range of 450nm to 520nm and 580nm to 650nm, but at different times, which is distinguishable.
  • the information for the object color in the red and blue area can be obtained, which with the info from the monochrome chip 721 the RGB colors of the measurement object. 6 results.
  • the second monochrome chip 722 serves only to obtain color information.
  • the screened detector is designed as a conventional one-chip color camera with Bayer mosaic. Only the green pixels are used for the phase evaluation. However, this does not bring 100% coverage with pixels, but only 50% coverage. This poses no major problem for the resolution if the camera is sufficiently harnesspixlig. However, the light utilization is not optimal.
  • the screened detector is designed as a conventional 3-chip color camera. Again, only the green pixels are used for the phase evaluation, which advantageously brings a 100% coverage with pixels.
  • FIG. 13 shows a triangulation measuring arrangement with an internal continuous scan for somewhat smaller measuring volumes.
  • the translation axis TA is vertical in space.
  • the monochrome camera 73 is synchronized via the Reclmersystem 17 in the depth scan with the changing illumination of the two line grating 21 and 21 and the translation slide 81.
  • the double-sided telecentric imaging stage 41 for projection that is to say for imaging the line gratings 21 and 22, has an imaging scale of 1: 1 and a numerical aperture of NA-0.067.
  • the triangulation angle beta is 45 °.
  • the planes of the two line grids and the detector plane are aligned parallel to one another and the translation axis TA is perpendicular to the planes of the two line grids 21 and 22 and to the plane of the chip 731 of the monochrome camera 73.
  • the main detection beam and the translation axis are aligned in parallel.
  • the projection main beam and the translation axis TA are aligned 45 ° to each other.
  • the number of reflections in the detection beam path is zero and there are exactly two reflections by means of Pentaprisma 413 in the projection beam path.
  • the carrier of the line grid is intercepted by bars 12, so that no vibration occurs.
  • the tilting error of the translation slide 81 beats quite strongly in the measurement result, since the
  • Angle of incidence on the line grid is 45 °. Therefore, the finer of the two line lattices, the line lattice 21, is close to the translation axis TA.
  • the vertical incidence on the chip 731 of the monochrome camera 73 is advantageous because tilting of the translation carriage 81 thus remains largely ineffective.
  • Lateral guide errors of the translation carriage 81 in the continuous depth scan act in the same direction on the line gratings 21 and 22, which is advantageous for the phase relationships in the signals.
  • the errors in measuring axially perpendicular surfaces very strongly minimize areas.
  • these guiding errors are problematic in the presence of large gradients on the object, as this may result in errors.
  • the position of the line gratings 21 and 22 in the immediate vicinity of the translation axis TA minimizes the influence of tilting errors of the translation slide 81.
  • the tilting error of the translation carriage 81 in this case strongly affects the measurement result, since the angle of incidence on the line gratings 21 and 22 is 45 ° here.
  • n FW_00 ⁇ 1, 22 * tan (45 °) / 0.067 «l 8 a number of 18 periods below the envelope.
  • the confocal condition for separate diaphragms for projection and detection is met, since the pixel lines BS 01 and BS 02 of grid elements in the object space to the translation axis TA and to the optical axis of the detection system ADO are parallels with the pixel straight lines AS O the pixels in the object space coincide in the entire depth scan. There is a coupling of the sharpness levels in the entire depth scan of the depth measuring range. Also, the coincidence of the points O, C ⁇ G, G2 at a time of the depth scan on the object 6 is shown.
  • the transverse guiding error of the translation carriage 81 here the individual components should, for high demands, ie, even if objects with comparatively large OberHumbleengradienten be measured error poor and pixel sizes by 3 ⁇ to ⁇ and for grating periods p of the line grid of 50 ⁇ maximum ⁇ ⁇ to keep it caused uncertainties safely below a micrometer.
  • the Pentaprisma 413 has two mirror surfaces. Thus, the difference of the reflections in the P and D beam path is even. This even-numberedness leads to the advantage of compensating for lateral guide errors, since a pixel image and an element of the line grid in the object space remain optically conjugate even in the case of lateral guide errors, ie move together on the measurement object 6 in the case of transverse offset.
  • FIG. 14 shows the arrangement according to FIG. 13 with now two-sided illumination.
  • the means for mechanical stiffening of the device in order to prevent rocking or oscillation of the line gratings 21, 22, 25, 26 in the depth scan, are not shown here.
  • arise wavelets which are already shown in Figures 5 and 6.
  • the evaluation of these wavelets corresponds to the description for the group of figures 8 and the representations in the group of figures 8. This also applies to all other arrangements in which two wavelets are generated.
  • the triangulation angle is 30 °.
  • NA_PO 0.04 according to equation 1
  • a number n FW_00 of 17.6 results.
  • FIG. 15b shows an arrangement with an external continuous depth scan.
  • the triangulation angle is 30 °.
  • This measuring arrangement is mounted on a 3-coordinate measuring machine and uses its possibilities for a highly accurate external depth scan.
  • FIGS. 16a to 16g each show exemplary triangulation arrangements with an internal depth scan, wherein at least two plane mirror surfaces in the form of an angular mirror arrangement are arranged in the projection beam path.
  • the triangulation arrangements can be used with the wavelet approach whereby one or more wavelets can be generated and used for measurement.
  • the measurement plane is tilted by 12 °.
  • the camera chip 731 and the line grids 21 and 26 are also inclined by 12 °.
  • the depth measuring range is determined by the camera chip length in the feed direction v and results here because of the inclination angle of 12 ° and the amount of the image scale of one to just under one-fifth of the camera chip length, since pre- and caster for the Measurement needed.
  • the translation slide 81 serves only for one-time focusing or refocusing. Between a solder bump 63 as the measurement object and the triangulation arrangement, a lateral movement is at least approximately perpendicular to the optical axis ADO. This lateral movement is measured and controlled and is synchronized with the camera, so that a Pixclnachvcrdeciung can take place «as it is already described in DE 103 21 888 AI. A wavelet always results from a virtual pixel, which in each case follows and detects the same object point. Since there is only one camera, the separation of the two projection channels has to be considered. Here, time is alternately projected right and left.
  • (6) but can also be used with spectral separation of the left and right channel by the camera as a two-chip camera with color splitter is trained. Then the colors bright red and dark red are used, each coming from a high-power LED lighting.
  • the feed rate of the target is ultimately determined only by the amount of light available and the frame rate of the camera and the computing power of the system and has the potential for feed rates of the order of 0 with the use of appropriate high-performance components for lighting, imaging and image acquisition and control of movement , 1m up to Im per second for the class of oil bumps.
  • the arrangement according to FIG. 16a was tilted by 15 °.
  • the amount of the reproduction scale is also here in both imaging stages 1.
  • the sharpness levels are always coupled in the depth scan. With sufficiently large apertures that allow a numerical aperture around 0, 1, can work with only one line grid, since only about 10 periods below the envelope of the contrast function occur.
  • the arrangement has been doubled. Due to the duplication, the side area of a measuring object 6 can also be measured. However, two translatory slides 81 are necessary for this purpose.
  • the translation carriage 81 is perpendicular to the translation axis TA.
  • the translation axis TA represents the bisector to the optical axes APA and ADA.
  • This arrangement can also be applied with an external depth scan or with the lateral scan of a moving measurement object with the arrangement stationary.
  • the wavelet to be obtained from the image stack in the depth scan has fewer periods than in the previous arrangements according to FIGS. 15 to 16d, since instead of 30 ° only 15 °, ie the number of periods under the envelope n FW only about 50% of the just mentioned is.
  • the conical condition is complied with, since the displacement distances are optically conjugate, ie the phase at the center of gravity is ideally always the same regardless of the given depth position of an object measurement point.
  • BA O routes do not target the center the pupil but crooked. Therefore, there must be a pixel tracking, so that working with a virtual pixel, which is assigned to the imaging beam in the depth scan.
  • the approach can be used to use the stored phase phi R CoG at the maximum of the reference measurement in the object measurement as a depth location for depth determination.
  • FIG. 16f The use of two translation carriages 81 - as shown in FIG. 16d - becomes superfluous by duplicating the optical arrangement according to FIG. 16e. This is shown in FIG. 16f.
  • This arrangement can be done with an internal depth scan or an external scan. Or with depth scan or lateral scan of a moving object while the system is stationary.
  • the advantage of two-sided illumination and two-sided detection is that even vertical surface areas of a measuring object 6 can be appropriate.
  • With a magnification of the projection levels beta strich P and the detection levels beta_strich_D each of the amount one remain the sharpness levels in the depth scan for all beam paths always coupled, since APAl and APA2 and ADA 1 and ADA2 are each inclined by 15 ° to the translation axis TA.
  • the confocal condition is met because the displacement distances are optically conjugate, that is, the phase at the center of gravity is ideally always the same.
  • the BA O-S do not aim at the center of the pupil but skew because there is an angle of 15 ° between the translational axis and TA and the optical axis ADA. Therefore, there must be a pixel tracking, so that working with a virtual pixel, which is assigned in the depth scan of the imaging beam by calculation.
  • a numerical aperture NA PO 0.08 can be achieved. So a half inch camera can be used.
  • each partial beam path has its own translation carriage 81.
  • the planes of sharpness are crossed. Again, there is the advantage that even vertical areas are appropriate can.
  • each partial beam path has its own translation element 81.
  • FIGS. 17 and 18 each show exemplary triangulation arrangements with an internal depth scan, wherein at least two plane mirror surfaces in the form of a 90 ° angle mirror or pentaprism 4131, 4132 are arranged in the projection beam path.
  • 41 32 results in the deflection angle delta to 90 °. So that the images BS_0 in the object space of the distances of the displacement BS A coincide with the distances AS 0 in the object space in order to fulfill the confocal condition, the relation for the magnification beta_strip and the triangulation angle beta
  • Amount (beta strich_P) tan 2 (beta).
  • the phase at the center of gravity is not constant and it is often necessary to redetermine the reference phases at the center of gravity of the envelope.
  • the constancy of the phase at the center of gravity regardless of the depth of an object point - as a positive result of compliance with the confocal condition - is thus also a criterion for testing the mechanical and thermal stability of the structure.
  • Amount ( ⁇ dash P) square [tan (beta)] for the magnification beta, and the triangulation angle beta at 90 ° deflection also to a triangulation angle of 35.3 °. So that the planes of sharpness in the depth scan always remain together, the amount of the image scale for the detection step must also be 0.6.
  • the higher aperture also provides advantages in terms of the amount of light, allows comparatively fast measuring, but leads to more complex optical imaging stages with usually a higher distortion and not perfect
  • FIG. 19 shows a triangulation arrangement with an external depth scan with two line gratings.
  • the line grid 21 has a grating period pd 1 of ⁇ ⁇ -50 ⁇
  • the line grating 24 is a comparatively coarse line grid with a grating period of 300 ⁇ .
  • the main goal here is to quickly come to a measurement result.
  • the principle of spectral separation of the channels is used, so that both line grids 21 and 24 are simultaneously projected into the object space.
  • the cold light sources 1 10 and 113 are switched on at the same time and so the short and the long wavelet are recorded simultaneously.
  • a 2-chip color camera 74 with a bandpass color divider for the transmission of eyed light and the reflection of light except the color cyan arranged as well as with a chip 741 for the filtered, structured eyed-colored light and with an RGB chip 742 with Bayer filter arranged for white, rather unstructured light.
  • a 2-chip color camera 74 with a bandpass color divider for the transmission of eyed light and the reflection of light except the color cyan arranged as well as with a chip 741 for the filtered, structured eyed-colored light and with an RGB chip 742 with Bayer filter arranged for white, rather unstructured light.
  • Figures 20 and 21 illustrate the fine 21 and coarse line gratings 24 for the arrangement of Figure 19.
  • the two line gratings are in phase at the center of the measuring range.
  • FIGS. 22 and 23 illustrate the resulting wavelets for a fine 21 and a rough line grid 24. Shown is a situation in the middle of the measurement range.
  • each wavelet is extracted from its separate image stack.
  • FIGS. 24a to 24d show, analogously to FIGS. 8a to 8e, the conditions for a coarse line grid with the grating period p_2_g.
  • the area of large modulation in wavelet Wl generated by means of the first line lattice, there is only one phase pair of the two line grids, which fits the reference measurement.
  • the modulation from the coarse wavelet W2 is not evaluated here, since the envelope is much too wide.
  • FIG. 25 shows a triangulation arrangement with an internal scan arrangement with a ferroelectric liquid crystal 54 arranged in the diaphragm plane, which serves as a controllable diaphragm.
  • the displacement v_BZ of the blend center which can be generated by means of this is shown in the details 25.1 and 25.2.
  • the amount of the image scale is one.
  • the images BS O and AS O of the displacement paths in the array space BS ⁇ and AS A coincide in the object space and after a single adjustment the planes of sharpness in the object space are always coupled in the depth scan, which is a good prerequisite to work with the wavelet approach, because then the phase in depth does not change or hardly changes.
  • FIGS. 26 and 27 show the wavelets WL SLM and W2 SLM already known from FIGS. 5 and 6, which are also produced in the depth scan.
  • the evaluation of the wavelets corresponds to the description of the group of figures 8 and the representations in the group of figures 8.
  • the triangulation arrangement according to Figure 28 is formed with an internal depth scan, which is performed "on the fly.”
  • This beam deflection by the angle delta is realized by means of a two-mirror angle mirror group 44 and 45, respectively.
  • the projection beam path is un folded and is perpendicular to the focal plane F PD.
  • the optical axes APA and ADA1 and ADA2 in the array space are parallel.
  • the Difference of the plane mirror surfaces between the pro Jemies- and the detection beam is equal to two here, resulting in a substantial compensation of the transverse misalignment of the translation slide 81 results.
  • An advantage of the internal depth scan is seen here: It can be observed with two cameras, the images do not move laterally on the camera during the internal depth scan.
  • two line grid structures are switched alternately.
  • the periods of the line gratings shown on the spatial light modulator (SLM) 23 are in beating and here have 12 pixels and 16 pixels per grating period.
  • the pixel pitch is 6.8 ⁇ .
  • ⁇ _1 81, 6 ⁇ and p 2 ⁇ 08,8 ⁇ .
  • an alternating projection of a first and a second line grid structure is performed. Starting with the position of the line mesh structures according to FIG. 29, where on the reference line Rz the phase is zero in each case, as an intensity maximum of a light stripe. In FIG. 29, the color black represents the intensity maximum.
  • the depth position of SLM 23 and camera 73 is adjusted by l / [8 * (p_l + p 2 i), respectively, until the strip contrast approaches zero. This corresponds to a depth adjustment between two images of 23.8 ⁇ .
  • a grating structure is written whose phase difference is Pi / 2 (90 °) to the previous same grating structure.
  • the intensity values are given in order to determine the phase position for each pixel several times and also the contrast several times in order finally to be able to determine the fringe order for each pixel.
  • FIG. 29 shows the display of a liquid crystal display 23 (as an example of a spatial light modulator) for use in an arrangement of Figure 28.
  • further line grid structures can also be inscribed in the liquid crystal display 23, for example a third line grid structure in beating to the first and second line grid structure, which advantageously has an intensity maximum of the line grid structure lie on the reference line Rz, that is symmetrical to the other stripe patterns.
  • a third line grid structure can further increase the reliability of the evaluation, which may then possibly be able to do without the information about the strip contrast.
  • this approach is much more time consuming than the approach using contrast information in the intensity data.
  • the writing of a Gray code structure into the liquid crystal display 23 is feasible besides applying a first fine line-grid structure.
  • FIG. 30 shows a tri-angulation arrangement with an internal depth scan in which the triangulation angle is 45 °.
  • an angle mirror assembly 47 is arranged with two plane mirrors 471, 472, which deflects the beam path by 45 °.
  • the detection beam is unfolded, and thus the optical axis of the projection beam APA and the optical axis of the detection beam APO in the array space are parallel and the detection beam is perpendicular to the focal plane F PD.
  • the axis of the projection beam path in the object space is inclined.
  • the spatial light modulator 23 is also inclined to meet the Scheimpllug condition. Thus, the areas of sharpness of P and d in object space are always parallel.
  • the areas of sharpness coincide after adjustment of the arrangement in the plane F PD. This applies to the entire depth scan range, for which, however, the strict telecentricity of the optics must also exist.
  • FIG. 30 The arrangement of Figure 31 with an internal depth sensor is based in part on assembly 16a.
  • the first effective grating period p_l here always represents the smaller of the two grating periods.
  • the computer-controllable drive 92 To this construction with pivot bearing belongs the computer-controllable drive 92, to which no accuracy requirements must be made, as this performs only a little loose turning as fast as possible.
  • the two rotational angle positions should be secured as accurately reproducible as possible, at least for the time between two calibrations.
  • the reference for measuring represents the translation slide 81, which is associated with a high-precision stepper motor drive.
  • the crosstalk in the other Proj etechnischsstrahlcngang is prevented by using different colored light sources 113a and 114a.
  • Each projector beam path is assigned a bandpass filter 36 or 37, which allows the light to pass from the associated light source and blocks light from the opposite channel.
  • a green light source 1 13a on the left and a cyan light source 114a on the right and a two-chip color camera 75 are used, which allows an upstream color beam splitter to measure green and cyan simultaneously in the two spectral channels. without there being noticeable crosstalk between both channels.
  • Figures 32 and 33 illustrate a lattice arrangement in the two rotational positions 40 ° and 50 ° of the line grid 27.
  • the magnetic stops 88 and 89 with moderate magnetic force each define the angular position with high precision.
  • the computer-controllable drive 92 for the rotational adjustment of the line grid 27 with some loose or play must only roughly position with game, since the magnetic force acts sufficiently attractive, and then muster the force to detach again when the other rotational position is to be approached. For better visibility in the illustration in FIGS. 32 and 33, some lines have been omitted in the middle of the line grid 27.
  • the magnification is always determined in the entire font from the quotient Y_ array space to Y object space.
  • Range AS Oj image of the displacement of a pixel j
  • a virtual pixel is determined by a fixed beam of a detection system and defines in the depth scan the respective pixel on the detector. At times, a virtual pixel is identical to a real one until it "moves on” the rasterized detector to the next real pixel.
  • a virtual pixel is defined by a beam of the imaging stage which is also fixed in the depth scan
  • Detection system determines and defines in the depth scan the respective current pixel on the detector -but only for a mostly small portion of the depth scan.
  • a wavelet represents intensity values here and is from the
  • W2 fine second wavelet by means of fine line grid 22 generates synthetic wavelet, is generated by calculation as a beat wavelet from the fine periods pw 1 and pw_2_ f,
  • Pixel i generated.
  • the wavelet is symmetric.
  • the wavelet is then asymmetric.
  • Depth position of the center of gravity of the contrast envelope of z_CoG 2J second line grid 22 with the period length p 2 f means
  • spatial light modulator Spatial Light Modulator
  • a ferroelectric liquid display which is designed as a ferroelectric liquid display and represents a controllable telecentric aperture in an imaging stage 41 for projection.
  • Image stage 41 for projection
  • Chip of the color camera 71 here with Bayer mosaic, green pixels detect the stripes, red and blue are recorded for the object color
  • Color camera with 2 camera chips and a bandpass color divider for transmission in the range of 520nm to 580nm and synchronized with the light sources 1 1 1 and 1 12
  • Data processing system 17 controlled translation slide for an external scan, the one with translational measuring system 10 regulated
  • Linear drive 9 is assigned
  • the translational belt provides a twist-proof prismatic
  • Precision storage 81 is in the measuring system 10, a high-precision start-point 1 1 is integrated, which is not shown here.
  • Data processing system 17 controlled translation slide for an internal scan, which is associated with a translational measuring system 10 controlled i linear drive 9
  • the translation carriage provides a twist-proof prismatic

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Abstract

Vorgeschlagen werden eine Anordnung und ein Verfahren zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation mit internem oder externem Tiefen-Scan, insbesondere auch für die 3D-Gestaltmessung in Mikroskopie und Mesoskopie. Es soll die Robustheit der Messung mit Wavelet-Signal-Erzcugung aus einem Bilderstapel vergrößert werden. Das Auftreten der bekannten und sehr unerwünschten 2Pi-Phasensprünge in der Phasenkarte soll weitestgehend vermieden werden. Dazu werden bei einer Messung anstelle eines Wavelets mindestens zwei Wavelets mit Kontrasteinhüllender erzeugt. Dies erfolgt durch eine zeitgleiche - dann vorzugsweise mit spektraler Trennung - oder durch eine sequenzielle Projektion von zwei Streifenbildern mit unterschiedlicher Triangulationswellenlänge auf das Messobjekt.

Description

"Verfahren und Anordnung zur robusten, tiefenscannenden/fokussierenden Streifen- Triangulation mit mehreren Wavelets"
Beschreibung
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zur Tiefenseannenden Streifen-Triangulation, insbesondere für die 3 D-Gestaltmessung in Mikroskopie und Mesoskopie.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Anmeldung auf 3 D-Messverl ahren mit flächenhafter strukturierter Beleuchtung unter Nutzung des Strei fen-Triangulations-Prinzips mit Fokus- Variation durch einen Tiefenscan, also mittels Fokus-Scan im Sinne eines Tiefenscans. Bei diesen Verfahren handelt sich um Streifentriangulation mit insbesondere kontinuierlichem Tiefenscan und es besteht stets ein Triangulationswinkel. Das bedeutet, es besteht für jeden Messpunkt im Objektraum ein Winkel zwischen dem Projektionshauptstrahl und dem Detcktionshauptstrahl .
Diese 3 D-Messverfahren können sowohl mit einem vorbestimmt apparativ eingestellten Triangulationswinkel von mindestens 2° (1° = 1 Altgrad) als auch mit einer Fokussierung durch einen gegebenen mechanischen Bewegungsscan oder durch eine brechkraftvariable Optik, wie eine Flüssigkeitslinse, ausgeführt werden. Es erfolgt hierbei eine Fokussierung im Sinne eines geometrischen Verschiebens mindestens einer Fokusfläche im Objektraum. Der Ansatz ist unabhängig davon, wo der mechanische Bewegungsscan oder die Brechkraftvariation im optischen System stattfindet. Die Fokusfläche kann auch zur optischen Achse eines Detektions- Objektivs geneigt sein.
Die vorliegende Anmeldung betrifft also fiächenhaft messende, fokussierende Streifen- Triangulations-Messverfahren bzw. Fokus-scannende oder Tiefenscannende Messvcrfahren, auf der Basis einer fokussierenden Streifen-Triangulations-Messanordnung.
Bei einer durch okussieren Streifen-Triangulations-Messanordnung bzw. einer Tiefenscannenden Triangulations-Messanordnung, also bei Vorhandensein eines Triangulationswinkcls, kann dieser oben bereits genannte Bewegungsscan einerseits ein externer mechanischer Scan sein, wo die gesamte kompakte Messanordnung relativ zum Messobjekt - oder auch das Messobjekt selbst - bewegt wird. Andererseits kann es sich auch um einen internen mechanischen Scan handeln. Hier erfolgt die Bewegung mit Tiefenkomponente eines Liniengitters oder eines räumlichen Lichtmodulators (Spatial Light Modulator, SLM) - auch in der Ausbildung in Form eines Flüssigkristall-Displays - also innerhalb der Triangulations-Messanordnung. Dieser interne mechanische Scan verschiebt dann die Fokusfläche im Objektraum ebenfalls mit Tiefenkomponente, was eine Durchfokussierung des Objektraumes mit einem Bild des Liniengitters darstellt. Eine Kombination eines internen mit einem externen mechanischen Bewegungsscan, so dass synchronisiert zwei Bewegungsscans gegeben sind, ist ebenfalls möglich.
Bei Messanordnungen nach dem Stand der Technik beträgt der Triangulationswinkel beta typischerweise um 22,5° bis zu 45°, jedoch sehr selten mehr als 60° und sehr selten auch weniger als 6°. Der Triangulationswinkel beta soll hier definitionsgemäß durch den Winkel des Schwerstrahls des Beleuchtungsstrahlenganges zum Winkel des Schwerstrahls des Abbildungsstrahlenganges für jeden erfassten Punkt des Messobjekts bestimmt sein und ist somit völlig unabhängig vom Messobjekt und nur apparativ durch den geometrisch-optischen Aufbau bedingt. Ein externer Bewegungsscan wird als eine Relativbewegung zwischen der 3D-Triangulations- Messanordnung als eine kompakte Einheit und dem Messobjekt angesehen. Mit der Bezeichnung "'interner Bewegungsscan" soll beschrieben sein, dass die 3 D-Triangulations- Messanordnung und das Messobjekt beim Messen in äußerer Ruhe zueinander verbleiben, jedoch in der 3D-Triangulations-Messanordnung wird mindestens eine Komponente mechanisch in der Tiefe oder auch mit Tiefenkomponente bewegt, so dass sich die Fokussierung in der optischen Anordnung zur Triangulation verändert. Die bewegte Komponente kann im einfachsten Fall eine beleuchtete gerasterte Struktur wie ein Liniengitter, auch als Ronchi-Gitter bekannt, darstellen. Die gerasterte Struktur kann auch als strukturiertes S endemuster- Array bezeichnet werden. Die bewegte Komponente kann ebenfalls ein gerasterter bzw. strukturierter Empfänger sein. Der gerasterte Empfänger kann auch als Empfän ger- Array bezeichnet werden. Zu dem Ansatz der fokussierenden Triangulation zählen folglich sowohl die Tiefenbewegung des gerasterten Empfängers als auch die Bewegung eines Sendemuster- Arrays in der Tiefe oder mit Tiefenkomponente. Das strukturierte Sendemuster- Array, im einfachsten Fall als Transmissions-Liniengitter ausgebildet, wird im Beleuchtungsstrahlengang mit Tiefenkomponente bewegt. Ein solcher Ansatz ist in DE 198 46 145 AI beschrieben, wo einem beleuchteten Linien- Transmissions-Liniengitter, Bewegungskomponenten zur Durchführung einer Bewegung auf einer geneigten Bahn zugeordnet sind. Die Bewegung auf einer geneigten Bahn besteht in Bezug auf die optische Achse des Beleuchtungsobj ektivs und erfolgt parallel zu einer speziellen Geraden gA, auf welcher der array-seitige Brennpunkt des Projektionsobjektivs als auch der arrayseitige Hauptpunkt des Detektionsobjektivs liegen. Diese spezielle Bewegung besitzt also eine Tiefenkomponente zur Durchfokussierung und auch eine Lateral-Komponcnte zur Phasenverschiebung. Dadurch bewegen sich die projizierten Streifen im Objektraum bei der 3 D-Messung auch lateral und durchlaufen einen Schärfentiefebereich, wobei Objekt und Messanordnung als Ganzes ohne eine Relativbewegung zueinander verbleiben. In jedem so belichteten Pixel eines gerasterten Empfängers kann bei Objekterfassung ein Wavelet mit einer Kontrast-Einhüllenden detektiert werden.
Dies stellt einen Ansatz zu einem 3D-Triangulations-Mcssverfahren dar, welcher Wavelet- Signale mit einer Kontrast-Einhüllenden generiert, deren Phase im Signal eine Information über die Tiefe oder den Abstand von erfassten Objektpunkten erzeugt. Diese Wavelet-Signale haben eine große Ähnlichkeit zu den bekannten Weißlicht-Interferenz-Signalen, wenn auch der Entstehungsvorgang geometrisch-optischer Natur ist. Die Erzeugung von den Weißlicht- Interferenz-Signalen sehr ähnlichen Signalformen mittels Streifen-Triangulation ist in DE 197 49 974 C2 beschrieben worden. Dabei wurde bereits auf die Möglichkeit der Nutzung von Phaseninformation zur Tiefenbestimmung hingewiesen. Die mittels durchfokussierender Streifen-Triangulation erzeugten Wavelet-Signale besitzen eine Kontrast-Einhüllende und können vergleichbar mit Weißlicht- Interferenz-Signalen ausgewertet werden, wenn das Problem der unbekannten Aniängsphase gelöst ist. Es muss bei einer Phasenauswertung hierbei jedoch die Anfangsphase in jedem Pixel in die Kalibrierung einbezogen werden, da diese nicht - wie bei der Weißlicht-Interfeometrie - am Schwerpunkt der Kontrast-Einhül lenden im Idealfall null ist. So kann eine 3 D-Punktwolke vom Objekt erzeugt werden. Inspirationsquelle für die Nutzung auch der Phase von Wavelet-Signalen mit einer Kontrast-Einhüllenden auch zur Streifen-Triangulation mit Tiefenscan oder Durchfokussierung war hier der Stand der S igna lausw ertung bei der W'eißlicht-Interfeometrie.
Der Ansatz zum internen Tiefenscan ist noch einmal generalisiert in DE 199 19 584 AI sowie in der WO 2000/066972 AI dargestellt. Hier wird ein interner Bewegungsscan eines Sendemuster-Arrays, also beispielsweise ein beleuchtetes Liniengitter, auch mit Bewegungsscan mit einer Lateral-Komponente beschrieben, um Wavelct-Signale zu erzeugen. Dabei wird beschrieben, dass im Scan des Gitters mit Lateral - und Tiefenkomponenten - also bei einem internen Tiefenscan entlang einer Geraden gA - die Bewegungsstrecken der leuchtenden Bildpunkte des Gitters im Objektraum auf das Pupillenzentrum des Beobachtungsstrahlengang zielen. Genau dann fallen die Bewegungsstrecken mit den Sichtstrahlen zusammen. Das ergibt den Vorteil, dass bei idealen Abbildungsverhältnissen die Phase am Schwerpunkt eines Wavelets unabhängig von der Tiefenposition eines Objektpunktes ist, was die Bestimmung der Tiefenposition mittels Waveletauswertung erheblich vereinfacht, da sich die Phase am Kontrastschwerpunkt in Abhängigkeit von der Tiefenposition eines Objektpunktes bei iedeal telezentrischer Optik im Array-Raum nicht ändert und durch eine vorab durchgeführte Referenzmessung mittels ebener Platte objektpunktweise, also pixelweise, ermittelt werden kann. Das konnte auch in einem begrenzten Tiefenmessbereich experimentell bestätigt werden, obwohl die Telezentrie der Abbi ld ungsoptiken im Array-Raum nicht perfekt gegeben war, siehe zur Beschreibung des Verfahrens auch den Fachartikel von K. Körner und R. Windecker, "Absolute macroscopic 3-D measurement with the innovative depth-scanning fringe protection technique (DSFP)," Optik 1 12, 433—441 (2001) [1]. Für das dreidimensionale Erfassen eines Objekts in der mikroskopischen oder der mesoskopi sehen Skale ist der Ansatz mit parallelen optischen Achsen im Objektraum jedoch nicht oder nur sehr bedingt geeignet, da es im Nahbereich keine geometrische Überlappung von Projektions- und Detektionsstrahlen- gang gibt. Eine Anordnung mit dem Betrag des Abbildungsmaßstabes eins, welche für kleinteilige Messobjekte von Vorteil ist, ist mit dieser optischen Konfiguration nur sehr schwer herstellbar. In den frühen Nullerjahren des 21. Jahrhunderts ergab sich keine wirtschaftliche Verwertung des Streifen-Triangulations-Ansatzes mit Durchfokussierung unter Nutzung des internen Tiefenscans. Erstmalig beschrieben wurde eine erfolgreiche Implementierung dieses Ansatzes zur durchfokussierenden Streifen-Triangulation mit internem mechanischem Scan auch mit Lateral-Komponente in [1]. Dort kommen in der Triangulationsanordnung streng parallel angeordnete optische Achsen zur Anwendung mit näherungsweiser Telezentrie im Array-Raum zur Anwendung, was dem Ort des Gitters und des Kamera-Chips darstellt und wo der Scan erfolgt.
Die Kalibrierung einer Tiefenscannenden 3D-Triangulations-Messanordnung mit internem Scan wurde im Fachartikel von J.-M. Nivet, K. Körner, U. Droste, M. Fleischer, H. Tiziani, W. Osten mit dem Titel "Depth-scanning fringe projection technique (DSFP) with 3-D calibration", in Proceedings of SPIE Vol. 5144, S. 443-449 (2003) [2] dargestellt. Letztlich führte auch die Limitierung der verfügbaren bezahlbaren, lichtstarken Objektive zur Aufgabe dieses Ansatzes wegen eher nicht aussichtsreicher wirtschaftlicher Umsetzbarkeit. Bei Stand der Technik im Jahr 2000 wiesen die verfügbaren lichtstarken Objektive noch erhebliche Telezentriefehler im Bildraum (Array-Raum) und somit auch Verzeichnungen in der Tiefe auf. Im Array-Raum befindet sich stets der bewegte Kamera-Chip.
Parallel zu den Tie enseannenden Ansätzen mit internem Scan für die 3 D-Triangulations- Messverfahren mit Wavelet-Signalerzeugung kamen 3D-Triangulations-Messverfahren mit externem Tiefenscan in den Fokus der Fachwelt, beispielsweise dargestellt im Fachartikel von M. Ishihara, Y .Nakazato. H. Sasaki, M. Tonooka, M. Yamamoto, Y. Otani, T. Yoshizawa mit dem Titel „Three-dimensional surface measurement using grating projection method by detecting phase and contrast", in Proc. SPIE Vol.3740, pp.l 14-1 17(1999) [3]. Dies stellt das erste beschriebene Experiment mit einem externen Bewegungsscan dar. Genutzt wird für die Triangulations-Messanordnung ein Leica-Stereomikroskop, wobei ein optischer Kanal der Beleuchtung und der andere der Bildaufnahme dienen. Es finden hier zwei Translationsbewegungen statt, nämlich eine zur Fokussierung (Tiefenscan) und zusätzlich eine zur Phasenschiebung am Gitter. Es wird jedoch kein Wavelet gebildet, da in verschiedenen Tiefenpositionen, also bei Stillstand, mehrere Intensitätswerte zur Kontrast-und Phasenbestimmung aufgenommen werden. Es wird im o. g. Fachartikel [3] also ein schrittweiser Tiefenscan des gesamten Stereomikroskops beschrieben. Die Phase wird am Liniengitter in den unterschiedlichen Tiefen verstellt, wobei Streiienkontrast und Phase getrennt ausgewertet werden. Aufgrund der diskontinuierlichen Bewegung handelt es sich um eine vergleichsweise langsame Messmethode, auch im Vergleich zum konfokalen Ansatz. Ansätze mit einem externen Tiefenscan finden sich auch in DE 100 560 73 AI , wobei hierbei der Tiefenscan eines kompletten Stereomikroskops zumindest quasi-konti nui erl ich erfolgt. Hier wird erstmalig für die Streifen-Triangulation das Entstehen eines Wavelets bei einem externen Tiefenscan beschrieben.
Die explizite Demonstration eines kontinuierlichen externen mechanischen Tiefenscans wurde erstmalig - unter Nutzung eines Leica-Stereomikroskops - durch Auswertung von quasi - kontinuierlich gemessenen Streifenbildern im Fachartikel von K. Körner, R. Windecker, M. Fleischer, H. Tiziani, „One-grating protection for absolute three-dimensiona! profiling", Optica! Engineering, Vol. 40 No. 8, S. 1653- 1660 (August 2001) [4] dargestellt.
Aus dem im Tiefenscan aufgenommenen Bilderstapel werden pixelweise Wavelets mit Kontrast-Einhüllender extrahiert und auf der Basis eines adaptierten I .ock-in- Algorithmus ausgewertet. Der Lock- in- Algorithmus wurde am Institut für Technische Optik der Universität Stuttgart für die Weißlicht-Interferomctrie entwickelt und erstmals bei der fokussierenden Triangulation mit strukturierter Beleuchtung mittels eines 12, 5 -fachen Leica-Stereomikroskops adaptiert. Die Fig. 7b des Fachartikels [4] zeigt nur 2 bis 3 dominante Oszillationen unter der Kontrast-Einhül lenden. Bei Triangulationsanordnungen unter Nutzung eines Stereomikroskop mit originaler Pupillengröße ergeben sich also stets Wavelets mit eher schmalbandiger Kontrast-Einhüllender, also mit nur sehr wenigen Oszillationen, beispielsweise weniger als insgesamt 6 Oszillationen, unter der Kontrast- Einhüllen den .
Der Pupillenabstand in der Anordnung des Stereomikroskops stellt ja die apparativ gegebene Triangulationsbasis der Triangulationsanordnung dar. Bei einer relativ so schmalen Kontrast- Einhüllenden, also in Bezug zur Anzahl der detektierbaren Oszillationen, die ein handelsübliches Stereomikroskop unabhängig von der genutzten Streifenperiode stets liefert, ergeben sich somit überhaupt keine Unsicherheiten bei der Bestimmung des Kontrast- Schwerpunktes in Bezug auf die Oszillationen unter der Kontrast-Einhüllenden. Das Auffinden einer Oszillation nullter Ordnung und damit das Auffinden eines Streifens nullter Ordnung sind also gut machbar. Eine Lock-in Auswertung mit Nutzung der Phaseninformation für die Bestimmung der 3 D-Form funktioniert dabei jedoch deutlich besser mit etwa fünf dominanten Oszillationen unter der Kontrast-Einhüllenden als mit nur zwei dominanten Oszillationen. Siehe dazu auch den Fachartikel von R. Windecker, M. Fleischer, K. Körner Fl. Tiziani „Testing micro devices with fringe projcction and white-light interferometry" in Optics and
Lasers in Engineering 36, S. 141-154 (2001) [5].
Dagegen ergeben sich bei einer 3D-Triangulations-Messanordnung mit einem internen mechanischen Bewegungsscan, beispielsweise für die makroskopische 3 D-Formerfassung von Objekten und zwei separaten Objektiven, ganz andere Verhältnisse. Dies wurde erstmalig im Fachartikel [1] dargestellt. Bei einer derartigen 3D-Triangulations-Messanordnung werden das beleuchtete Ronchi-Gitter und die Kamera mechanisch synchron in der Tiefe verschoben, erfahren also einen gemeinsamen Bewegungsscan. Zusätzlich wird das Ronchi-Gitter lateral verschoben. Selbst bei lichtstarken baugieichen Objektiven für Beleuchtung und Bildaufnahme in Parallelanordnung und direktem mechanischen Kontakt der mechanischen Fassungen der Objektive ist das Verhältnis von Pupillenabstand und Pupillendurchmesser hierbei kaum unter 6 zu bringen. Ein typischer Wert des Verhältnisses wurde mit 9 bei einer Blendenzahl 1 ,4 und zumindest angenäherter bildseitiger Telezentrie für reale Objektive, die für den festen Objektabstand 750mm mit Verzeichnungen um 0,1% von der Firma Jenoptik entwickelt wurden, gefunden. Dabei ist der Triangulationswinkel bei dieser Parametrisierung noch eher klein. Beim Objektabstand von 750 mm liegt dieser um 6°, was für eine makroskopische Strei entriangulalions-Messanordnung doch als eher klein anzusehen ist. Schon bei diesem Triangulationswinkel zeigen sich so viele Oszillationen, also Perioden unter der Kontrast- Einhüllenden des Waveiets, beispielsweise um mehr als 20, dass nur bei sehr kooperativen stetigen, gut lichtstreuenden Messobjekten und beim Einsatz geeigneter Auswerte- Algorithmen ein sicheres Auffinden der nullten Streifenordnung möglich ist. Das ist der Fall, wenn das Wavelet eine symmetrische Kontrast-Einhüllende aufweist, Weiterhin ist aufgrund der nicht perfekten bildseitigen Telezentrie verfügbarer lichtstarker Objektive die Kalibrierung selbst beim Messen gut lichtstreuender Objekte an Oberflächen mit größeren Gradienten sehr schwierig im Vergleich zu einer nicht-scannenden makroskopischen Strei fen-Triangul ationsanordnung. Im Nahbereich von 200 mm liegt dann die Verzeichnung eines hochwertigen lichtstarken Objektivs schon im unteren einstelligen Prozentbereich, wenn dieses Objektiv beispielsweise für 750 mm Objektdistanz ausgelegt wurde, wo das Minimum der Verzeichnung mit Werten weit unter 1 Prozent besteht. Die Kalibrierung zur Tiefenscannenden Triangulation mit Objektiven mit erheblicher Abweichung von der Telezentrie, wo also der Bewegungsscan stattfindet, ist nicht zufriedenstellend für die industrielle messtechnische Nutzung. Insbesondere treten erhebliche Messfehler, als Abweichungen von der 3 D-Form, bei Objekten mit erheblichen Oberflächengradienten um beispielsweise 30° auf, auch wenn diese Oberflächen gut lichtstreuen.
Bei der Vermessung realer dreidimensionaler Objekte mit dem Ansatz der SD-Streifen- Triangulation mit externem Tiefenscan tritt bei einer durch das Messobjekt induzierten Schiefe der Kontrast-Einhüllenden des Wavclets bei der Auswertung häufig der bekannte Effekt des Entstehens von 2Pi-Sprüngen in der errechneten Phasenkarte auf. Auch 4 Pi- und 6 Pi-Sprünge können bei einer hinreichend großen Anzahl von Oszillationen unter der Einhüllenden an Kanten von Objekten in der errechneten Phasenkarte auftreten. Diese 2n*Pi-Sprünge (wobei n eine ganze Zahl bzw. Ganzzahl ist) sind sehr unerwünscht, vor allem, da diese Sprünge nicht durch das bekannte Unwrapping zu eliminieren sind, weil die Oberfläche des Objekts ja auch unstetig, also diskontinuierlich sein kann.
Der Ansatz mit kontinuierlich bewegtem Messobjekt und Obj ektnachverfolgung mit einem virtuellen Pixel in einer Triangulationsanordnung, wo Wavelet-förmige Signalen mit einer Kontrast-Einhüllenden generiert werden, wurde in der Schrift DE 103 21 888 A I dargestellt. Auch der Fall des Triangu lationswi nkels null - also Structured Illumination Microscopy (SIM) ist in der Schrift DE 103 21 888 A I in Fig. 7 mit Pixelnachverfolgung an einem bewegten Messobjekt präsentiert. Seit den frühen 1 90er Jahren erfolgte weltweit eine vielfache Anwendung der Weißlicht- Interferometrie (WLI) - in der Regel in der Ausbildung der Messanordnung als flächenhaft messendes Weißlicht-Interferenz-Mikroskop. Die vielfache Anwendung der Tiefenscannenden, flächenhaft messenden Konfokal-Mikroskopie (KM), die auf M. Minski mit dem US -Patent 3,013,467 zurückgeht, begann bereits in den 1980er Jahren, und stellt einen immer noch ungebremsten Trend dar. Der in den üblichen Messanordnungen von Weißlicht- und Konfokal-Mikroskopie eingesetzte Tiefen-Bewegungsscan wird technisch sehr überzeugend beherrscht. Dieser Scan ist Prinzip bedingt zwingend notwendig und stellt meist einen externen Tiefen-Bewegungsscan in Relation zwischen Messanordnung und Messobjekt dar.
Technisch sehr überzeugend sind auch die dazu genutzten rechnergesteuerten Translations- schütten mit kontinuierlicher Bewegung hinsichtlich der einzuhaltenden Lateral- Führungsfehler im Submikrometer- Bereich und dies auch mit Submikrometer-Schrittweiten. Die Bewegung erfolgt mit Steuerung oder auch mittels Regelung in Mess-Echt-Zeit. Dies ist jetzt auch zu Kosten möglich, die vom Messgeräte-Markt - zumindest im Forschungs- und Entwicklungsbereich - inzwischen weitgehend akzeptiert werden.
Meist wird bei diesen flächenhaft messenden Verfahren die 3 D-Messanordnung oder Komponenten derselben in der Tiefe zur Durchfokussierung des Objektraumes bewegt, eher seltener das Messobjekt. Das trifft in der Regel auf alle universellen 3 D-Messgeräte am Markt zu.
Spezielle 3D-Messanordnungen bei inline- Industriemessaufgaben bewegen jedoch zunehmend auch das Objekt und nicht die Messanordnung, insbesondere dann, wenn es sich um eine eng definierte Objektklasse handelt, z.B. bei gut bekannten, massearmen Messobjekten sehr großer Stückzahl und geringer Vielfalt und kurzen Messzeiten. Der in der Offenlegungsschrift DE 103 21 888A1 bereits 2004 publizierte Ansatz stellt ein Beispiel für eine derartige Lösung für ein fokussierendes 3 D-Triangulations- essverfahren mit Lateral-Bewegung eines Messobjekts dar.
Das deutsche Patent DE 10 2007 056 207 B4 stellt ebenfalls diesen Lösungsansatz mit bewegten Messobjekten und feststehender Messanordnung und der Generierung von Signalen, die aus der Weißlicht- Interferometrie (WLI) bekannt sind, dar. in beiden Schriften DE 10 2007 56 207 B4 und DE 103 21 888 AI ist die Fokusfläche, bzw. Fokusebene, in der Anordnung zur optischen Achse der Detektion geneigt und es findet eine Relativbewegung zwischen Messobjekt und Messkopf statt, was als externer Tiefenscan zu bezeichnen ist.
Der Fachartikel [6] von R. Windecker, M. Fleischer und H. Tiziani mit dem Titel„Three- dimensional topometry with stereo microscopes" in der Fachzeitschrift Optical Engineering 36, (12) S. 3372 - 7777 (1997) beschreibt die Anwendung von zwei Liniengittern in Schwebung in einer Tri an gul ati onsanordnung auf der Basis eines Stereomikroskops, um den Eindeutigkeitsbereich der Messung zu vergrößern. Es gibt hierbei jedoch keinen Hinweis auf einen Tiefenscan. Im Fachartikel [7] von T. Bothe, W. Osten, A. Gesierich, W. Jüptner mit dem Titel„Compact 3D-Camera'\ Proc. of SPIE 4778, S. 48-59 (2002) wird für makroskopische Anwendungen eine 3 D- amera mit parallelen optischen Achsen beschrieben. Eingesetzt werden in der Triangulationsanordnung zwei objektseitig zentralperspektivische Objektive. Diese SD- Kamera weist als räumlichen Lichtmodulator ein Flüssigkristall-Display auf, welches zur Fokussierung gemeinsam mit einer CCD-Kamera mittels Piezo-Translator in der Tiefe verschoben werden kann (interner Tiefenscan). Gemessen wird schrittweise in verschiedenen Fokustiefen in diskreten Schritten, also diskontinuierlich. Es gibt also keinen kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlicher Scan. In jeder Fokustiefe, beispielsweise in fünf ausgewählten diskreten Fokustiefen, werden bei Stillstand verschieden feine Liniengitter mittels eines Flüssigkristall-Displays projiziert, die in der Phase jeweils um 90° verstellt werden, so dass es sich um einen klassischen Mehrwellenlängen-Phasenschiebc- Ansatz handelt, bei dem zum 3D- Messen kein Wavelets aus einem Bilderstapel generiert wird. Dieses Verfahren ist somit durch das jeweilige Stehenbleiben beim Aufnehmen mehrerer Bilder in einer Tiefenposition vergleichsweise zeitaufwendig. Es können mit dieser Messanordnung keine kleinen Objekte, beispielsweise mit Abmessungen von 10 mm x 10 mm x 10 mm, mit Tiefen-Auflösungen im einstelligen Mikrometerbereich gemessen werden, beispielsweise 3 D-Druck-Erzeugnisse, da es im Nahbereich der Messanordnung keine geometrische Überlappung von Projektions- und Detektionsstrahlengang gibt. Dies ergibt sich aus dem Ansatz mit parallelen optischen Achsen im Objektraum. Angegeben wird im Fachartikel eine Tiefenauflösung (resolution) von 0, 1 mm. Dies ist für kleinteilige Objekte jedoch völlig ungenügend. Gleiches gilt für die laterale Auflösung, die ebenfalls in der Größenordnung von größer/gleich 0, 1 mm liegt und somit viel zu grob ist. Eine Anordnung mit dem Betrag des Abbildungsmaßstabes eins, welche für kleinteilige Messobjekte von Vorteil ist, ist hierbei nur sehr schwer herstellbar. Im Fachartikel von X. Schwab, C. Köhler, K. Körner, N. Eichhorn, W. Osten mit dem Titel „Improved micro topography measurement by LCoS-based fringe projection and z-stitching", Proc. SPIE 6995, 69950Q, doi: 10.1 1 17/12.781822, wird ein diskontinuierlich
Tiefenscannendes Stereo-Mikroskop (externer Tiefenscan) beschrieben, um das Schärfentiefe- Problem zu überwinden. Angewendet wird der Gray-Code- Algorithmus in Verbindung mit einem Phasenschiebe- Ansatz.
In der Schrift DE 103 21 883 wird für eine Triangulationsanordnung mit einem internen Tiefenscan der Ansatz mit einem Gitter mit einer einkodierten Subharmonischen beschrieben. Des Weiteren wird der Einsatz stochastischer Gitter vorgeschlagen, welche die Anwendung von Kreuzkorrelations- Algorithmen erfordern. Das führt zu einem vergleichsweise hohen
Rechenaufwand. In der Schrift US 7,286,246 B2 wird eine Anordnung und ein Verfahren zur Tiefenscannenden Triangulation mit strukturierter Beleuchtung zur 3 D-Messung beschrieben.
In den Schriften DE 699 14 886 T2 und WO 99/5241 sowie WO 98/45745 sind Anordnungen auf der Basis eines Mikroskops dargestellt, um dreidimensionale Informationen zu gewinnen. Hierbei erfolgen Beleuchtung und Detektion durch dieselbe Optik. Das Projektionssystem und das Detektionssystem sind also stets gegenüber einem Objekt räumlich vereinigt, da Koaxial ität für die optischen Achsen der Strahlengänge gegenüber dem Objekt besteht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte Verfahren und Anordnungen zur Fokus-variierenden Triangulation mit strukturierter Beleuchtung, insbesondere auch für die 3 D-Gestaltmessung im Bereich der Mikroskopie, bereitzustellen, welche eher geringe Vergrößerungen aufweisen auch für den mesoskopischen Bereich geeignet sind. Insbesondere soll eine 3 D-Formmessung im mesoskopischen Bereich, auch an Objekten mit Diskontinuitäten der Oberfläche wie Absätzen, ermöglicht werden, wobei im Vergleich zur schwach vergrößernden konfokalen Mikroskopie an lichtstreuenden Oberflächen eine SD- Punktwolke schneller und mit geringer Messunsicherheit, also hoher Messgenauigkeit, gemessen werden kann.
Ferner sollen vergleichsweise größere Messfelder als mit der konfokalen Mikroskopie und der Mikroskopie auf der Basis kommerziell verfügbarer Optiken gemessen werden können. Vorzugsweise sollen ferner eine oder mehrere der folgenden speziellen Aufgaben gelöst werden:
Eine spezielle Aufgabe ist es, eine weitgehende Reduzierung oder sogar vollständige Vermeidung von 2n*Pi-Sprüngen mit n-1 , 2, 3 bei der Phasen- Auswertung von Signalen in Wavelet-Form. mit Kontrasteinhüllender, welche mittels einer Anordnung zur Tiefenscannenden bzw. Fokus-scannenden Triangulation mit strukturierter Beleuchtung, insbesondere auch für die 3D -Formmessung im mikroskopischen und mesoskopischen Bereich, gewonnen wurde.
Es soll ferner bevorzugt nur ein einziges Translationssystem für den Projektionsstrahlengang und auch für den Detektionsstrahlengang angeordnet sein und die Schärfeebenen von Projektion und Dctcktion sollen im gesamten Tiefenscan in Koinzidenz bleiben, also stets zusammenfallen. Weiterhin soll die mit dem Translationssystem bewegte Masse der Messeinrichtung verringert werden. Weiterhin soll der Einfluss des lateralen Führungsfehlers eines Translationssystems bei einem internen Tiefenscan reduziert werden. Die optische Weglänge im optischen Strahlengang soll vergrößert werden, ohne dass sich der Bauraum der Anordnung erheblich vergrößert, um beim Optik-Design eine gute Annäherung an den Fall perfekter Telezentrie zu ermöglichen.
Die Aufgabe(n) wird/werden durch ein Verfahren und eine Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausfuhrungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur tiefenscannenden Streifen- Triangulation mit Wavelet-Signal-Erzeugung mit einer Streifen-Triangulationsanordnung zur strukturierten Beleuchtung mindestens eines Messobjekts.
Die Streifen-Triangulationsanordnung (nachfolgend auch Anordnung zur tiefenscannenden Streifentriangulation) umfasst:
einen Projektionsstrahlengang,
einen vom Projektionsstrahlengang getrennten Detektionsstrahlengang,
mindestens einen gerasterten Lichtdetektor mit Pixeln, mindestens ein Rechnersystem, und
rechnersteuerbare Scanvorrichtung zum Tiefenscan des Messobjekts.
Die Streifen- Triangulationsanordnung kann einen Triangulationswinkel von mindestens 2°, beispielsweise zwischen 6° und 80°, zwischen 10° und 75° oder zwischen 20° und 60° aufweisen.
Das Verfahren umfasst:
Durchführen eines Tiefenscans des Messobjekts umfassend:
(i) Erzeugen gleichzeitig oder nacheinander von zumindest zwei Gittermustern mit unterschiedlichen Gitterperioden p 1 und p_2, wobei die Gitterperioden die Beziehungen
p_2 > 1,01* p_l und p_2 < 100*p_l
erfüllen;
Projizieren durch denselben Projektionsstrahlengang der Gittermuster auf das Messobjekt, so dass ein strukturiert beleuchtetes Messobjekt besteht, und Aufnehmen mit dem gerasterten Lichtdetektor und unter Nutzung des Detektionsstrahlengangs von zumindest zwei Bildersätzen, die jeweils den unterschiedlichen Gittermustern entsprechen, wobei jeder Bildersatz eine Folge von Bildern des mit einem bestimmten Gittermuster strukturiert beleuchteten Messobjekts umfasst,
oder
(ii) Erzeugen eines Gittermusters mit einer Periode p und Projizieren des Gittermusters auf das Messobjekt durch den Projektionsstrahlengang, so dass ein strukturiert beleuchtetes Messobjekt besteht;
Verändern des Triangulationswinkels der S Ire i f en -Tri angulationsanordnung, so dass nacheinander mindestens zwei unterschiedliche effektive Triangulationswinkel beta 1 und beta_2 in der Streifen - Triangulationsanordnung bestehen, welche die Beziehungen
beta_2 > 1 ,01 * beta _1 und beta _2 < 1 ,25* beta_l erfüllen, und Aufnehmen mit dem gerasterten Lichtdetektor und unter Nutzung des Detektionsstrahlengangs von zumindest zwei Bildersätzen, die jeweils den unterschiedlichen Triangulationswinkeln entsprechen, wobei jeder Bildersatz eine Folge von Bildern des strukturiert beleuchteten Messobjekts bei einem bestimmten Triangulationswinkel umfasst;
Erzeugen von zumindest zwei Wavelets Wl und W2 mit jeweils unterschiedlichen Wavelet-Perioden pw l und pw_2 aus den zumindest zwei Bildersätzen, wobei die zumindest zwei Wavelets Wl und W2 jeweils eine Kontrast-Einhüllende aufweisen;
Bestimmen mittels des Rechnersystems der Tiefenposition von einem angemessenen Messpunkt i des Messobjekts aus den zumindest zwei Wavelets Wl und W2 und unter Berücksichtigung von pixelweise gegebenen Referenz-Phasenwerten (phi_R_l , phi_R_2) der zumindest zwei Wavelet-Perioden pw_l und pw_2, umfassend:
pixelweises Auswerten des Schwerpunkts mindestens einer der Kontrast- Einhüllenden;
pixelweises Phasenauswertcn sowohl der Wavelet-Periode pw_l , welches einen
Phasenwert phi 1 modulo 2 Pi liefert, als auch der Wavelet-Periode pw_2, welches einen Phasenwert phi_2 modulo 2 Pi liefert;
Errechnen der Phasenwerte phi O l i und phi O 2 i modulo 2 Pi für ein Pixel i, welche im Pixel i sowohl dem Referenz-Phasenwert phi R l i modulo 2 Pi der Wavelet- Periode pw 1 als auch dem Phasenwert phi_R_2_i modulo 2 Pi der Wavelet-Periode pw_2 in der Umgebung des errechneten Schwerpunktes der Kontrast-Einhüllenden des ersten Wavelets Wl und/Oder des errechneten Schwerpunktes der Kontrast-Einhüllenden des zweiten Wavelets \V2 zumindest näherungsweise entsprechen; und
Errechnen der Tiefenposition für den Messpunkt i des Messobjekts aus den errechneten Phasenwerten phi O l i und phi O 2_i modulo 2 Pi für den Pixel i.
Beim Verfahren nach Aspekt 1 werden mindestens zwei Wavelets mit Kontrasteinhüilender erzeugt. Dies erfolgt durch eine zeitgleiche - dann vorzugsweise mit spektraler Trennung - oder durch eine sequenzielle Projektion von zwei Streifenbildern mit jeweils unterschiedlicher Triangulationswellenlänge auf das Messobjekt. Das Verfahren liefert insbesondere die Möglichkeit, anhand der Form der Kontrast- Einhüllenden des jeweiligen Wavelets Hinweise auf die Messunsicherheit des Messpunktes bekommen zu können. So kann bei jedem Messpunkt die Kontrolle der bekannten enn- Halbwertsbreite des Wavelets der Anordnung oder die Schiefe des Wavelets bei ermittelten Wavelets überwacht werden und bei signifikanten Abweichungen von Halbwertsbreite oder Symmetrie der Einhüllenden kann dieser Messwert verworfen werden. Messwerte großer Unsicherheit weisen oft eine Einsattelung in der Kontrast-Einhüllenden oder eine merkliche Schiefe, also eine Asymmetrie, der Kontrast-Einhüllenden auf. Die aufgenommenen Sätze von Bildern, die jeweils den unterschiedlichen Gittermustern oder den unterschiedlichen Trianguiationswinkeln entsprechen, können in Form unterschiedlicher bzw. separater Bilderstapel gespeichert werden. Ebenfalls ist es möglich, die Bilder der einzelnen Sätze ineinander zu verschachteln und in Form eines Bilderstapels zu speichern, wobei der Bilderstapel abwechselnd bzw. alternierend Bilder des mit den unterschiedlichen Gittermustern oder bei unterschiedlichen Triangulationswinkeln beleuchteten Messobjekts umfasst. Die zumindest zwei Wavelets können dann durch Auslesen der Bilder aus den separaten Bilderstapeln oder durch abwechselndes Auslesen der Bilder aus dem einen gemeinsamen Bilderstapel ermittelt werden. Die zumindest zwei Wavelets Wl und W2 können separat in einem digitalen Speicher gespeichert werden. Die Referenz-Phasenwerte phi R l modulo 2 Fi, phi_R_2 modulo 2 Pi können durch eine vorab durchgeführte Referenzmessung mittels eines Referenz-Messobjekts pixelweise bestimmt und in einem Datenspeicher abgelegt werden.
Vorzugsweise erfüllen die beiden Gitterperioden p_ l und p_2 die folgenden Beziehungen: p_2 > 1,01 * p_l und p_2 < 10*p_l .
Die Gitterperioden p_l und p_2 (bzw. p 2 f) können z.B. die Bedingung p_2 < 2*p 1 bzw. p 2 f < 2*p 1 erfüllen, und die zumindest zwei Wavelets Wl und W2 können numerisch eine Schwebung mit mindestens einer Schwebungsperiode pw_12 zueinander aufweisen, die mindestens doppelt so groß ist wie die Wavelet-Periode pw l des Wavelets Wl . Dabei gibt die Schwebungsperiode (Schwebungs-Wavelet-Periode) pw 12 den E i ndeutigkei tsbereich EDB vor. Die Gitterperioden p_l und p_2 bzw. p_2_g können auch die Bedingung p 2 > 2*p_l bzw. p_2_g > 2*p_ ί erfüllen, und die Wavelet-Periode pw_2 des zweiten Wavelets W2 kann mindestens doppelt so groß sein wie Wavelet-Periode pw l des ersten Wavelets Wl . In diesem Fall ist das zweite Wavelet W2 gröber als das erste Wavelet Wl ausgebildet. Die Wavelet- Periode pw_2 gibt hierbei den Eindeutigkeitsbereich EDB vor.
Im Tiefenscan kann/können ferner ein telezentrisches Beleuchten des Messobjekts und/oder ein telezentrisches Abbilden des Messobjekts erfolgen. Das telezentrischc Beleuchten kann mittels einer telezentrischen Blende und/oder einer einseitig oder beiderseitig telezentrischen Abbildungsstufe im Projektionsstrahlengang erfolgen. Das tclezentrischc Abbilden kann mittels einer telezentrischen Blende und/oder einer einseitig oder beiderseitig telezentrischen Abbildungsstufe im Detektionsstrahlengang erfolgen.
Der Tiefenscan kann ein kontinuierlicher oder ein diskontinuierlicher bzw. schrittweiser („stop- and-go") Scan sein. Vorzugsweise ist der Tiefenscan ein kontinuierlicher Tiefenscan, welcher z.B. durch:
eine kontinuierliche Relativbewegung zwischen dem Messobjekt und der Triangulationsanordnung; oder
eine kontinuierliche Relativbewegung zwischen dem Messobjekt und der Schärfeebene mindestens eines Gitterbildes im Objektraum; oder
eine kontinuierliche Variation der Brechkraft im Projektionsstrahlengang
durchgeführt wird.
Der Tiefenscan kann ein externer Tiefenscan, ein interner Tiefenscan oder eine Kombination der beiden sein. Der Tiefenscan kann z.B.
entweder der gesamten Streifen-Triangulationsanordnung in Relation zum Messobjekt (externer Scan),
oder von Komponenten der Triangulationsanordnung in Relation zum Messobjekt
(interner Scan),
oder des Messobjekts (externer Scan);
oder zumindest einer mustererzeugende Komponente der Triangulationsanordnung, wie z.B. eines Liniengitters (interner Scan). Sowohl bei einem externen als auch bei einem internen Tiefenscan wird vorzugsweise die konfokale Bedingung eingehalten. Bei einem externen Tiefenscan wird die konfokale Bedingung in der Regel implizit eingehalten. Bei einem internen Tiefenscan muss die konfokale Bedingung gezielt geometrisch-optisch eingehalten werden. Dies erfolgt durch das Realisieren eines Zusammenfallens der Bilder AS O und BS O der Strecken der Verschiebung im Objektraum.
Die Erzeugung des zumindest einen Gittermusters, die optischen Strahlengänge und der Tiefenscan können in unterschiedlicher Weise realisiert werden.
So können im Tiefenscan zumindest zwei feste bzw. statische Liniengitter mit unterschiedlichen Gitterperioden zeitlich abwechselnd beleuchtet werden oder die zumindest zwei festen Liniengitter sind Selbstleuchter und leuchten zeitlich abwechselnd.
Es ist möglich, anstelle der festen bzw. statischen Liniengitter steuerbare räumliche Lichtmodulatoren oder Lichtgeber einzusetzen. Das Verfahren kann dann ein Variieren der Gitterperiode mit elektronischen Mitteln umfassen. So kann z.B. ein räumlicher Lichtmodulator beleuchtet werden, welcher zeitlich nacheinander die zumindest zwei Gittermuster mit den jeweils unterschiedlichen Gitterperioden p 1 und p_2 schaltet. Alternativ kann ein schallbarer strukturierter Lichtgeber zeitlich nacheinander die zumindest zwei Gittermuster mit den jeweils unterschiedlichen Gitterperioden schalten.
Es ist auch möglich, gleichzeitig zwei Gittermuster zu erzeugen und zu detektieren, wobei die Gittermuster z.B. spektral diskriminiert werden. So können z.B. zwei feste bzw. statische Liniengitter mit Licht mit jeweils unterschiedlichem Farbspektrum gleichzeitig beleuchtet werden oder die zumindest zwei Liniengitter sind Selbstleuchter mit jeweils unterschiedlichem Farbspektrum. Die erzeugten Gittermuster werden gleichzeitig auf das Messobjekt durch denselben Projektionsstrahl engang projiziert, so dass ein strukturiertes und farbig beleuchtetes Messobjekt besteht. Dieses Messobjekt kann unter Nutzung des Detektionsstrahlenganges von einem gerasterten Lichtdetektor mit mindestens zwei Farbkanälen detektiert werden. Die Bilder in dem jeweiligen Farbkanal bilden dann den jeweiligen Bildersatz, anhand dessen die Wavelet- Generierung erfolgt. Anstelle von festen bzw. statischen Liniengitter können farblich kodierte steuerbare räumliche Lichtmodulatoren oder Lichtgeber verwendet werden.
Ferner ist es möglich, ein festes bzw. statisches drehbares Liniengitter zu verwenden, wobei das Liniengitter zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Drehstellungen gedreht wird. Durch die Drehung des festen bzw. statischen drehbaren Liniengitters in den unterschiedlichen Drehstellungen werden zeitlich nacheinander zumindest zwei Gittermusler mit unterschied 1 ichen effektiven Gitterperioden p_efj 1 und p_eff_2 erzeugt. Das Lmiengitter kann mit mindestens einer Lichtquelle beleuchtet werden oder ein Selbstleuchter sein.
In der Regel werden nur zwei Drehstellungen eines Liniengitters verwendet, da bei dem Ansatz mit Wavelet-Erzcugung durch Tiefenscan keine diskrete Phasen-Schiebung am Liniengitter stattfinden muss, da im Tiefenscan Wavelets erzeugt werden, welche die benötigten
Phaseninformationen liefern.
Vorzugsweise wird ein Liniengitter mit der Gitterperiode p eingesetzt, das signifikant aus der Normal läge, nämlich 90° zur Triangulationsbasis, um den Drehwmkel psi im Uhrzeigersinn herausgedreht wird. Der Winkel psi beträgt vorzugsweise von 10° bis 80°. Für die erste Drehposition des Liniengitters ergibt sich ein Drehwinkel psi 1 , der z.B. gleich 40° ist. Die effektive Gitterperiode ist um l /cos(psi_l ) gegenüber der Normal läge auf p_ l=p/cos(psi_l ) vergrößert. In dieser Position wird ein erster Tiefenscan durchgeführt und ein erster Bilderstapel aufgenommen, aus welchem sich für jeden Pixel das Wavelet W 1 ergibt.
Nach dem ersten Tiefenscan wird das Liniengitter etwas weiter gedreht (beispielsweise um den Winkelbetrag von 10°), so dass sich ein Winkel psi _ 2 gegenüber der Normal läge einstellt. So ergibt sich eine andere effektive Periode des Liniengitters, die dann p 2 f=p/cos(psi_2) beträgt.
So kann eine erste feine Gitterperiode p_l und anschließend eine zweite Gitterperiode p_2 f erzeugt werden und das oben beschriebene Verfahren angewendet werden. Bei der zweiten Drehstellung wird ebenfalls ein zweiter Bilderstapel aufgenommen, aus welchem sich für jeden Pixel das Wavelet W2 ergibt, das nun etwas im Vergleich zum ersten Wavelet Wl in diesem beschriebenen Fall etwas gedehnt ist. Der Tiefenscan bei der ersten Drehstcllung kann z.B. im Hinlauf des Scans und bei der zweiten Drehstellung im Rücklauf des Scans durchgeführt werden.
Es ist von Vorteil, wen Winkel-Kombinationen genutzt werden, bei denen der Quotient cos(psi l)/ cos(psi 2) sich zwischen 1 , 1 bis 1 ,5 bewegt.
Ein Quotient im Bereich von 1 , 15 bis 1,33 stellt hierbei ein Optimum dar. Dabei gilt, dass die erste effektive Gitterperiode p_l die kleinere der beiden Gitterperioden darstellt.
Die beiden Positionen mit den Drehwinkeln psi 1 und psi l können durch mechanische Anschläge mit Magnetkraft im Sinne einer bistabilen, robusten mechanischen Konstruktion mit Drehlagerung - zumindest im Teilbereich des Vollkreises - hochgenau realisiert werden. Zu der Konstruktion mit Drehlagerung gehört beispielsweise ein steuerbarer Antrieb, an den keine Genauigkeitsforderungen gestellt werden müssen, und welcher das Drehen möglichst schnell durchführt. Das Anlegen an die endgültige Position kann mittels Magnetkraft erfolgen. Die beiden Drehwinkel-Positionen bzw. Drehstellungen werden vorzugsweise möglichst genau reproduzierbar für die Zeit zwischen zwei Kalibrierungen gesichert.
Eine andere Möglichkeit ist es, die Blendenöffnung einer steuerbaren Blende in einer Blendenebene im Projektions- und/oder Detektionsstrahlengang zu variieren. Insbesondere kann ein festes bzw. statisches periodisches Liniengitter mit einer Periode p mit mindestens einer Lichtquelle beleuchtet werden oder Selbstleuchter sein. Bezogen auf die optische Achse des jeweiligen Abbildungsstrahlenganges können lateral unterschiedliche Bereiche der Blendenöffnung der steuerbaren Blende vorbestimmt gesteuert zur Lichttransmission oder Lichtreflexion abwechselnd freigegeben werden. Dadurch wird der effektive Tri angul ations winkel der Streifen-Triangulationsanordnung vorbestimmt gesteuert verändert, so dass nacheinander mindestens zwei unterschiedliche effektive Triangulationswinkel beta_l und beta 2 in der S trei fen-Tri angul at ionsanordnung bestehen.
Es wird hierbei insbesondere der geometrische oder der photometrische Schwerpunkt der Blendenöffnung variiert. Damit ändern sich der Ort des effektiven Blendenzentrums der Triangulationsanordnung und somit auch der effektive Triangu iationswinkel . Eine Variation des Schwerpunkts der Blendenöffnung beeinflusst die Triangulationswellenlänge, welche einen direkten Einfluss auf die Wavelet-Periode des Wavelets hat. Die Variation der Blendenöffnung und insbesondere des Schwerpunkts der Blendenöffnung erfolgt bevorzugt nach jeder einzelnen Bildaufnahme vom Messobjekt mittels des gerasterten Detektors.
Die steuerbare Blende kann z.B. eine lateral steuerbare mechanische Blende sein. Ebenfalls ist es möglich, die Blende mittels eines räumlichen Lichtmodulators zu realisieren. Wird der räumliche Lichtmodulator oder eine wie auch immer geartete steuerbare Blende mit Lateral-Verschiebung oder einer Komponente mit Lateral - Verschiebung des Blendenzentrums oder des photometrischen Schwerpunkts in der Blendenebene des Detektionsstrahlenganges angeordnet, führt dies zu einem durchaus vorteilhaften Nebeneffekt. Nämlich zum Effekt, dass die numerische Apertur des Detektionsstrahlenganges kleiner als die numerische Apertur des Projektionsstrahlenganges jeweils im Objektraum ist. Dadurch wird im Scan die Bildpunkt- Verwaschung bei der Bildaufnahme begrenzt. Das ist von Vorteil bei feinstrukturierten Objekten oder bei Objekten mit jeweils einem Hell-Dunkel-Übergang auf der Oberfläche, z.B. in Form, eines auf der Objektoberfläche aufgedruckten Schwarz -Weiß-Musters. Die B 1 endensteuerung kann beispielsweise wie folgt erfolgen: In einem ersten Fall liegt der Schwerpunkt der Blendenöffnung in einem ersten Zustand stets auf der optischen Achse des Detektionsstrahlenganges. und in einem zweiten Zustand ist die Blendenöffnung dezentriert. In einem zweiten Fall sind beide Schwerpunkte der Blendenöffnung in gleichem Abstand zur optischen Achse des Detektionsstrahlenganges dezentriert.
Der Ansatz mit der gesteuerten Blendenöffnung zur Variation der effektiven Triangulationswellenlänge ist für eher kooperative Objekte ohne merkliche Feinstruktur und mit gleichmäßiger Lichtstreuung, also für die Messung der Abweichung von der Ebene und der Sollform von Objekten mit eher geringen Oberflächengradienten, besonders geeignet.
So besteht ein strukturiert beleuchtetes Messobjekt unter Nutzung von zwei Triangulations- Wellenlängen bei Nutzung nur eines einzigen Projektionsstrahlenganges, wen die abbildenden Komponenten desselben den Projektionsstrahlengang definieren. Das Messobjekt wird unter Nutzung des Detektionsstrahlenganges von einem gerasterten Lichtdetektor detektiert und im Tiefenscan wird eine Folge von Bildern des strukturiert beleuchteten Messobjekts aufgenommen. So können Wavelets mit unterschiedlichen Wave I et- Perioden generiert werden.
Im Tiefenscan wird ein Bilderstapel im Speicher bei zeitlicher abwechselnder Blendenöffnung aufgenommen und aus dem Bilderstapel werden durch abwechselndes Auslesen von zwei in der Periode unterschiedliche Wavelets Wl und W2 mit den Wavelet-Perioden pw 1 und pw_2, erzeugt. Dabei korrespondiert das Wavelet Wl mit dem effektiven Triangulationswinkcl beta 1 und Wavelet W2 mit dem effektiven Triangulationswinkel betaJ2. Durch den kontinuierlichen Tiefenscan weisen diese Wavelets Wl und W2 jeweils eine Kontrast-Einhüllende auf und können separat in einem digitalen Speicher abgespeichert werden.
Aus den Wavelets Wl und W2 wird wie oben beschrieben die Tiefenposition für das Messobjekt pixel weise errechnet.
Ferner betrifft ein zweiter Aspekt der Erfindung eine Anordnung zur tiefenscannenden Streifen- Triangulation mit strukturierter Beleuchtung und Wavelet-Signal-Erzeugung zur strukturierten Beleuchtung mindestens eines Messobjekts. Die Anordnung ist insbesondere dazu ausgelegt, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Die Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation umfasst:
einen Projektionsstrahlengang,
einen vom Projektionsstrahlengang getrennten Detektionsstrahlengang,
mindestens einen gerasterten Lichtdetektor mit Pixeln,
mindestens ein Rechnersystem; und
eine rechnersteuerbare Scanvorrichtung zum Tiefenscan des Messobjekts. Das Rechensystem kann unterschiedliche Module enthalten, wie z.B. ein Speichermodul, ein Steuerungsmodul mit einem Steuerungsprogramm und ein Auswertemodul mit einem Auswerteprogramm. Es ist möglich, die Steuerung der Streifen-Triangulation-Anordnung und die (pixelweise) Auswertung der detektierten Signale durch unterschiedliche Rechensysteme (die miteinander in Signalverbindung stehen können) vorzunehmen.
Die Scanvorrichtung kann dazu ausgelegt sein, einen externen oder einen internen Tiefenscan durchzuführen. Die Scanvorrichtung kann Translations-Bewegungsmittel (z.B. einen Translationsschlitten) mit einer Translationsachse umfassen, wobei der Tiefenscan entweder durch eine Bewegung der gesamten Tri angul ati onsanordnun g in Relation zum Messobjekt, oder des Messobjekts in Relation zur gesamten Triangulationsanordnung, oder von Komponenten der Triangulationsanordnung in Relation zum Messobjekt erfolgen kann. Die bewegliche Komponente kann z.B. ein Liniengitter sein. Die Scanvorrichtung kann z.B. Translations- Bewegungsmittel (z.B. einen Translationsschlitten) mit einer Translationsachse umfassen.
Die Anordnung ist femer dazu ausgelegt,
(i) gleichzeitig oder nacheinander zumindest zwei Gittermuster mit unterschiedlichen Gitterperioden p 1 und p_2 zu erzeugen und auf das Messobjekt durch denselben Projektionsstrahlengang zu projizieren, wobei die Gitterperioden p_l und p 2 die folgenden Beziehungen:
p_2 > 1,01 * pj und p_2 < 100*p_.l,
erfüllen;
oder
(ii) ein Gittermuster mit einer Gitterperiode p zu erzeugen und durch den Projektionsstrahlengang auf das Messobjekt zu projizieren, und den Triangulationswinkel beta der Streifen-Triangulationsanordnung zu variieren, so dass nacheinander mindestens zwei unterschiedliche Triangulationswinkel beta l und beta 2 in der Streifen-Triangulationsanordnung bestehen, welche die Beziehungen
beta_2 > 1 ,01 * beta j und beta _2 < l ,25* beta_l erfüllen. Mit dem gerasterten Lichtdetektor und unter Nutzung des Dctektionsstrahlengangs werden zumindest zwei Bildersätze aufgenommen, die jeweils den unterschiedlichen Gittermustern oder den unterschiedlichen Triangulationswinkeln entsprechen, wobei jeder Bildersatz eine Folge von Bildern des mit einem bestimmten Gittermuster strukturiert beleuchteten Messobjekts oder von Bildern des strukturiert beleuchteten Messobjekts bei einem bestimmten Triangulationswinkel umfasst.
Das Rechensystem umfasst femer einen Speicher zum Speichern der zumindest zwei Bildersätze.
Das Rechensystem kann ferner ein Auswertemodul umfassen, welches dazu eingerichtet ist: zumindest zwei Wavelets Wl und W2 mit jeweils unterschiedlichen Wavel et-Perioden pw_ 1 und pw_2 aus den zumindest zwei Bildersätzen zu erzeugen, wobei die zumindest zwei Wavelets Wl und W2 jeweils eine Kontrast-Einhüllende aufweisen;
die Tiefenposition von einem angemessenen Messpunkt i des Messobjekts aus den zumindest zwei Wavelets W 1 und W2 und unter Berücksichtigung von pixelweise gegebenen Referenz-Phasenwerten phi R 1 , phi_R 2 der zumindest zwei Wavelet-Perioden pw 1 und pw 2 zu bestimmen, wobei das Bestimmen der Tiefenposition umfasst:
pixelweises Auswerten des Schwerpunkts mindestens einer der Kontrast- Einhüllenden und pixelweises Phasenaus werten sowohl der Wavelet-Periode pw 1, welche einen Phasenwert phi 1 modulo 2 Pi liefert, als auch der Wavelet-Periode pw_2, welche einen Phasenwert phi_2 modulo 2 Pi liefert;
Errechnen der Phasenwerte phi O l i und phi_0_2_i modulo 2 Pi für ein Pixel i, welche im Pixel i sowohl dem Referenz-Phasenwert phi R_l _i modulo 2 Pi der Wavelet-Periode pw_l als auch dem Phasenwert phi_R_2_i modulo 2 Pi der Wavelet-
Periode pw_2 in der Umgebung des errechneten Schwerpunktes der Kontrast- Einhüllenden des Wavelets W l und/oder des errechneten Schwerpunktes der Kontrast- Einhüllenden des Wavelets W2 zumindest näherungsweise entsprechen; und
Errechnen der Tiefenposition für den Messpunkt i des Messobjekts aus den errechneten Phasenwerten phi O l i und phi O 2 i modulo 2 Pi für ein Pixel i. Wie in Zusammenhang mit dem Verfahren nach Aspekt 1 beschrieben, können der Tiefenscan und das zumindest eine Gittermuster in unterschiedlicher Weise realisiert werden.
Um das zumindest ein Gittermuster zu erzeugen kann die Anordnung zumindest eine mustererzeugende Komponente umfassen, wie z.B. ein Liniengitter. Die mustererzeigende Komponente kann eine feste bzw. statische Komponente (wie z.B. ein festes Liniengitter) oder eine steuerbare Komponente sein (wie z.B. ein räumlicher Lichtmodulator oder ein steuerbarer Lichtgeber). Die mustererzeugende Komponente kann selbstleuchtend sein (wie z.B. ein LED- Array) oder von einer oder mehreren Lichtquellen beleuchtet sein.
Die Anordnung zur tiefenscannenden S trei fen -Tri angul ation kann zum Beispiel zwei räumlich separierte feste bzw. statische periodische Liniengitter umfassen, die entweder mit mindestens einer Lichtquelle beleuchtet werden oder Selbstleuchter sind, wobei das Licht von den Liniengittern eine im Projektionsstrahlengang angeordnete Blende passiert und durch den Strahlengang auf das Messobjekt projiziert wird. Die festen bzw. statischen periodischen Liniengitter können nacheinander beleuchtet oder zum Leuchten gebracht werden. Ebenfalls ist eine gleichzeitige und spektral diskriminierte Beleuchtung bzw. ein gleichzeitiges und spektral diskriminiertes Leuchten möglich. Es ist auch möglich, einen räumlichen Lichtmodul ator oder einen schaltbaren strukturierten Lichtgeber einzusetzen, wobei der Lichtmodulator oder der Lichtgeber dazu eingerichtet ist, entweder gleichzeitig unterschiedliche (z.B. spektral getrennte) Gittermuster mit jeweils unterschiedlichen Gitterperioden p_i und p_2 oder nacheinander schaltbare Gitterperioden p_l, p_2 zu generieren.
Ferner ist es möglich, ein festes bzw. statisches drehbares Liniengitter zu verwenden, welches mit mindestens einer Lichtquelle beleuchtet wird oder ein Selbstleuchter ist, wobei durch die Drehung des festen bzw. statischen drehbaren Liniengitters zeitlich nacheinander zumindest zwei Gittermuster mit unterschiedlichen effektiven Gitterperioden p eff l und p_eff_2 erzeugt werden.
Das feste bzw. statische drehbare Liniengitter kann aus der Normallage in Bezug auf die
Triangulationsbasis um den Winkel psi verdreht werden, wobei der Winkel psi vorzugsweise zwischen 10° bis 80° beträgt. Dadurch können zwei Gittermuster mit unterschiedlichen effektiven Gitterperioden erzeugt werden, die vorzugsweise die Bedingungen p_eff_2 > 1 ,01* p_eff_l und p_eff_2 < 10* p effj erfüllen. Das feste bzw. statische drehbare Liniengitter kann mittels einer rechengesteuerten bzw. steuerbaren Drehvorrichtung gedreht werden.
Es ist auch möglich, ein festes bzw. statisches periodisches Liniengitter mit einer Periode p in Kombination mit einer steuerbaren Blende zu verwenden. Die steuerbare Blende mit einer Blendenöffnung ist in einer Blendenebene des Projektionsstrahlenganges oder/und des Detektionsstrahlenganges angeordnet. Das Liniengitter wird entweder mit mindestens einer Lichtquelle beleuchtet oder ist Selbstleuchter. Ferner umfasst die Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation eine Blendensteuerungsvorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, bezogen auf die optische Achse des jeweiligen Abbildungsstrahlenganges lateral unterschiedliche Bereiche der Blendenöffnung vorbestimmt gesteuert zur Lichttransmission oder Lichtreflexion abwechselnd freizugeben, so dass der effektive Triangulationswinkel der Streifen-Triangulationsanordnung vorbestimmt gesteuert verändert wird und so nacheinander mindestens zwei unterschiedliche effektive Triangulationswinkel beta 1 und beta 2 in der Streifen-Triangulationsanordnung bestehen.
Die steuerbare Blende kann z.B. ein räumlicher Lichtmodulator, eine lateral mechanisch verschiebbare gesteuerte Blende und/oder eine lateral gesteuerte Flüssigkeitsblende sein. Der steuerbare räumliche Lichtmodulator kann z.B. als ferro-elektrischer Flüssigkristall ausgebildet sein, der das Zentrum der lendenöffnung wie oben beschrieben vorbestimmt lateral verschiebt. Der Projektionsstrahlengang und der Detektionsstrahlengang können unterschiedlich ausgestaltet werden. So können der Projektionsstrahlengang und/oder der Detektionsstrahlengang einen Abbildungsmaßstab mit einem Betrag gleich oder ungleich eins aufweisen. Vorzugsweise ist der Betrag des A bb i 1 d ungsm aßstabes kleiner oder gleich 5. Der Betrag des Abbildungsmaßstabes im Projektionsstrahlengang beta strich P und im Detektionsstrahlengang beta_strich_D können - bei Betrachtung der Lateral-Größe (y- Koordinate) im Array-Raum zur Lateral-Größe (y-Koordinate) im Objektraum - zumindest näherungsweise einer der folgenden Beziehungen
Figure imgf000028_0001
bcta strich P^beta strich D * [Wurzel von cos(beta)]
genügen. Die optische Achse des Projektionsstrahlenganges im Array-Raum bzw. auf der Seite der das zumindest eine Gittermuster erzeugenden Komponente und die optische Achse des Detektionsstrahlenganges im Array-Raum bzw. auf der Seite des gerasteten Detektors können zueinander geneigt sein. Der Begriff„Array" bezieht sich im Allgemeinen auf eine beliebige gerasterte Komponente (Sendemuster- Array), wie z.B. auf die zumindest eine Komponente (z.B. Liniengitter), die das zumindest eine Gittermuster erzeugt oder auf den gerasterten Detektor (Empfänger- Array). Der Begriff„Array-Raum" bezieht sich auf den Raum vor dem jeweiligen Array.
Es ist auch möglich, dass die optische Achse des Projektionsstrahlengangs APA im Array- Raum im inneren Strahlengang und die optische Achse des Proj ektionsstrahl engangs ADA im Array-Raum im inneren Strahlengang parallel zu einander verlaufen. Der innere Strahlengang bezieht sich auf den Stralilengang von der mustererzeugenden Komponente (wie z.B. einem Liniengitter, einem räumlichen Lichtmodulator, einem Lichtgeber, etc.) zum Messobjekt und vom Messobjekt zum gerasterten Detektor. Der Projektionsstrahlengang oder der Detektionsstrahlengang kann senkrecht auf der Schärfefläche F PD stehen.
Die Flächennormale des gerasterten Detektors kann mit der optischen Achse des Detektionsstrahlenganges ADA einen Winkel mit dem Betrag kappa D (kappa_Dl , kappa D2) von zumindest näherungsweise kappa D=Betrag{arctan[beta_strich_D*tan(beta)] } einschließen. Die Flächennormale der mustererzeugenden Komponente (wie z.B. eines räumlichen Lichtmodulators, eines festen bzw. statischen Liniengitters, etc.) kann mit der optischen Achse des Projektionsstrahlenganges AP A auch einen Winkel mit dem Betrag kappa P von zumindest näherungsweise kappa_P=Betrag {arctan[beta_strich_P*tan(beta)] }
einschließen.
Die zumindest eine mustererzeugende Komponente (wie z.B. ein räumlicher Lichtmodulator, ein festes bzw. statisches Liniengitter, etc.) kann ferner senkrecht zur optischen Achse des Projektionsstrahlengangs stehen. Die Scanvorrichtung kann z.B. Translationsbewegungsmittel (wie z.B. einen Translationsschlitten) mit einer Translationsachse TA umfassen. Die optische Achse des Detektionsstrahlenganges auf der Seite des Messobjekts bzw. im Objekt-Raum kann parallel zu der Translationsachse der Scanvorrichtung bzw. der Translationsbewegungsmittel angeordnet sein.
Im Projektionsstrahlengang und/oder im Detektionsstrahlengang kann/können jeweils eine erste Abbildungsstufe (umfassen eine dem Messobjekt zugeordnete Frontoptik) und/oder eine Blende angeordnet sein. Im Projektionsstrahlengang passiert das Licht der beiden Gittermuster vorzugsweise dieselbe Blende und dieselbe Abbildungsstufe bzw. Frontoptik.
Vorzugsweise ist die Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation ausgelegt und dazu eingerichtet, ein telezentrisches Beleuchten des Messobjekts und/oder ein telezentrisches Abbilden des Messobjekts zu realisieren. So kann z.B. die Abbildungsstufe im Projeklionsstrahlcngang und/oder die Abbildungsstufe im Detektionsstrahlengang eine einseitig oder beidseitig telezentrische Abbildungsstufe sein. Ferner kan die Blende im Projektionsstrahlengang und/oder die Blende im Detektionsstrahlengang eine telezentrische Blende sein.
Die telezentrische Abbildungsstufe (die z.B. als ein telezentrisches Objektiv ausgebildet sein kann) im Projektions- und/oder Detektionsstrahlengang kann telezentrisch auf der Seite des Arrays bzw. des Array- Raums sein. Die telezentrische Abbildungsstufe kann eine beidseitig telezentrische Abbildungsstufe sein, d.h. eine Abbildungsstufe, die telezentnsch sowohl auf der Seite des Arrays bzw. des Array-Raums als auch auf der Seite des Messobjekts ist.
Der Projektions- und/oder der Detektionsstrahlengang kann/können ferner ungefaltet (ohne Abknicken der jeweiligen optischen Achse) oder gefaltet (mit Abknicken der jeweiligen optischen Achse) sein.
So können im Projektions- und/oder im Detektionsstrahlengang mindestens zwei Planspiegelflächen angeordnet sein. Die Planspiegelflächen im Projektionsstrahlengang können auf dem optischen Pfad von einer mustererzeugenden Komponente der Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation zum Messobjekt angeordnet sein. Im Detektionsstrahlengang sind die Planspiegelflächen auf dem optischen Pfad vom Messobjekt zum gerasterten Detektor angeordnet. Vorzugsweise ist die Differenz der Anzahl der Reflexionen an Planspiegelflächen im Projektions- und im Detektionsstrahlengang null oder geradzahlig. Dementsprechend kann die Differenz der Planspiegelflächen zwischen dem Projektionsstrahlengang und dem Detektionsstrahlengang null oder geradzahlig sein. Die zumindest zwei Planspiegelflächen können in Form eines Winkelspiegels oder eines Winkelspiegelprismas im Projektions- und/oder Detektionsstrahlengang angeordnet sein. Das Winkelspiegelprisma kann z.B. ein Pentaprisma sein. Der Winkelspiegel kann z.B. ein 45°- Winkelspiegel in Luft oder ein 90°-Winkelspiegel sein. Bei den obigen Beispielen mit Planspiegelflächen können der Projektionsstrahlengang und der Detektionsstrahlengang einen Winkel (Triangulationswinkel beta) von 45° einschließen. In diese Fall können die Abbildungsstufen vorzugsweise beiderseitig telezentnsch sein und der Abbi ldungsmaßstand der beiden Abbildungsstufen weist vorzugsweise den Betrag eins auf. Die mustererzeugende Komponente kann zwei Liniengitter umfassen, wobei die Ebenen der beiden Liniengitter und die Ebene des gerasterten Detektors vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Trans lat ionsachse des Translationssystems kann senkrecht zur Ebene des gerasterten Detektors angeordnet sein und der Projektionshauptstrahl und die Translationsachse können in einem Winkel von 45° zueinander ausgerichtet sein. Die optische Achse des Detektions- Strahlenganges steht vorzugsweise senkrecht auf der zusammenfallenden Brennebene des Projektions- und des Detektionsstrahlengangcs.
Die mindestens zwei Planspiegelflächen können ferner in Form einer Winkelspiegelanordnung im Proj ektionsstrahlengang angeordnet sein, wobei der Gesamtablenkwinkel (Ablenkwinkel im Strahlengang delta) der Winkelspiegelanordnung im Projektionsstrahlengang, betrachtet z.B. von einer mustererzeugende Komponente, wie z.B. eines Liniengitters, den doppelten Winkelbetrag des Triangulationswinkels beta aufweist, und wobei der Projektionsstrahlengang und der Detektionsstrahlengang den Betrag des Abbildungsmaßstabes von Werten ungleich oder gleich eins aufweisen.
Die mindestens zwei Planspiegel flächen können ebenfalls in Form eines 90° -Winkel spiegeis oder Pentaprismas im Projektionsstrahlengang angeordnet sein, wobei der Abbildungsmaßstab vom Objektraum im Array-Raum gleich dem Quadrat des Tangens des Triangulationswinkels beta P ist.
Die mindestens zwei Planspiegelflächen können auch in Form einer Winkelspiegelanordnung im Projektionsstrahlengang angeordnet sein, wobei der Gesamtablenkwinkel (Ablenkwinkel im Strahlengang delta) der Winkelspiegelanordnung im Projektionsstrahlengang, betrachtet z.B. von einer mustererzeugenden Komponente, wie z.B. eines Liniengitters, den doppelten Winkelbetrag des Triangulationswinkels beta aufweist, die Translationsachse TA die Winkelhalbierende zu der optischen Achse des Projektionsstrahlengangs APA und der optischen Achse des Detektionsstrahlengangs ADA darstellt, und der Projektionsstrahlengang und der Detektionsstrahlengang jeweils den Betrag des Abbildungsmaßstabes von ungleich oder gleich eins aufweisen.
Wie oben beschrieben kann die Scanvorrichtung ein rechnersteuerbares Translationssystem, z.B. in Form eines Translationsschlittens umfassen. Dem Translationssystem können sowohl der gerasterte Lichtdetektor als auch zumindest eine mustererzeugende Komponente der Anordnung zur tiefen scannenden Strei fen-Triangulation starr zugeordnet sein, so dass das
Translationssystem, der gerasterte Lichtdetektor und die zumindest eine mustererzeugende Komponente der Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation starr gekoppelt sind. Die Anordnung zur Tiefenscannenden Streifen-Triangulation kann zwei oder mehr Projektionsstrahlengänge umfassen. Die zumindest zwei Projektionsstrahlengänge können symmetrisch zur optischen Achse des Detektionsstrahlenganges angeordnet sein. Ebenfalls kann die Anordnung zur riefenscannenden Streifen-Triangulation zwei oder mehr Detektionsstrah lengänge umfassen. Die zumindest zwei Detektionsstrahlengänge können symmetrisch zur optischen Achse des Projektionsstrahlenganges angeordnet sein. Die Projektionsstrahlengänge und/oder die Detektionsstrahlengänge können telezentrisch ausgebildet sein und jeweils eine telezentrische Blende aufweisen. Beispielhafte Anwendungsgebiete der vorgeschlagenen Verfahren und Anordnungen sind die Formmessung, Gestaltmessung, auch a extraoralen Dental-Komponenten und auch in Verbindung mit Mehr-Koordinaten-Messtechnik. Dabei stehen Objekte mit einer erheblichen Tie f enausdehnung im Vordergrund. Ferner soll im Besonderen eine hochpräzise Miniform- Messung ermöglicht werden, nicht jedoch notwendigerweise die höchste laterale Auflösung. Es sollen einfache und kostengünstige Komponenten eingesetzt werden, die eine mechanisch hochstabile Konstruktion ermöglichen.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist ganz allgemein der Bereich, in dem der Triangulationswinkel beta der Messanordnung den Aperturwinkel (Randstrahlenwinkel) alpha eines üblichen Objektivs für die Konfokal-Mikroskopie oder die Mikroskopie mit Fokussuche - insbesondere bei schwacher Mikroskop- Vergrößerung - deutlich übertrifft.
Die Erfindung zielt bevorzugt auf Lösungen für das dreidimensionale Messen von Objekten mit einer Ausdehnung im Bereich um 1mm x 1 mm x 1mm über 25mm x 25 mm x 25 mm und auch bis zu 200mm x 200 mm x 200 mm. Dabei geht es um eine Tiefenauflösung vom Submikrometer- bis in den ein- und zweistelligen Mikrometer-Bereich, welche sich mit der Größe des Messfeldes skaliert. Anders abgeschätzt geht es hier um ein Messvolumen in den Größenordnungen von etwa 1 Kubikmillimeter bis 10 Kubikdezimeter, häufig auch in Würfelähnlicher Form. Es geht hierbei insbesondere auch um Messanordnungen mit einer sehr hohen Tiefenauflösung von bis zu 1/100.000 der Messfeld-Diagonale.
So korrespondieren damit die Beträge der Abbildungsmaßstäbe beta strich im Bereich von 0.05 bis etwa 5. Der Betrag des Abbildungsmaßstabes beta strich um 1 und bis zu 0,2 ist hierbei von besonderem Interesse. Dabei ist für die Definition des Abbildungsmaßstabes beta_strich hier der Detektions-Strahlengang vom Messobjekt mit Abbildung auf den Chip eines gerasterten Detektors zu betrachten. Bei Messobjekten, die einen Betrag des Abbildungsmaßstabes beta_strich größer 5 erfordern, ist der Ansatz mit dem Konfokal-Mikroskop für die 3D- Erfassung wohl die bessere Alternative. Bei Beträgen der Abbildungsmaßstäbe bcta strich im Bereich unter 0,05 sind die Einschränkungen durch eine begrenzte Schärfentiefe meist nicht mehr so gravierend, so dass auf einen Tiefenscan verzichtet werden kann.
Spezielle Einsatzgebiete sind die hochpräzise Vermessung von Zähnen oder Messobjekten mit der Form eines Zahnes, die Vermessung von Abdrücken aus dem menschlichen Ohr für Komponenten von Hörgeräten, die einen optimalen Sitz im Ohr garantieren sollen, sowie die Vermessung von Spritzgießwerkzeugen für kleinteilige Kunststoffkomponenten bis in den einstelligen Mikrometerbereich. Die vorgeschlagenen Ansätze sind insbesondere für den Low-eost-Bereich geeignet, wenn es beispielsweise eher um 3 D- Profilmessungen kleinerer Objekte, beispielsweise mit dreidimensionalen Mini-Relief-Strukturen, in verschiedenen, sehr unterschiedlichen Tiefen— wie auf in der Tiefe abgesetzten Flächen - oder an geneigten Oberflächen geht. Hierbei steht dann nicht die absolute Messung größerer Tiefen im Vordergrund, sondern die eines feinen 3D- Profils. Um die geringere Langzeitstabilität, beispielsweise von Sensoren aus Kunststoff und mit Kunststoff-Optiken auszugleichen, kann häufig nachkalibriert werden. Derartig in größerer Stückzahl hergestellte Sensoren, beispielsweise auch durch 3 D-Druck, können auch zur Mehrfachbestückung von Messsystemen in Verbindung mit kostengünstigen Schrittmotorantrieben genutzt werden.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausfuhrungsformen der vorliegenden Erfindung anhand begleitender Figuren beispielhaft beschrieben. Einzelelemente der beschriebenen Ausführungsformen sind nicht auf die jeweilige Ausführungsform beschränkt. Vielmehr können Elemente der Ausführungsformen beliebig miteinander kombiniert werden und neue Ausführungsformen dadurch erstellt werden. Es zeigt:
Figur l a eine beispielhafte Triangulationsanordnung nach dem Stand der Technik; Figur 1b eine Kontrastfunktion bei der Gitterabbildung in unterschiedlichen Tiefen in der Triangulationsanordnung aus Figur la;
Figur lc ein beispielhaftes Stereomikroskop mit der Triangulationsanordnung aus Figur la; Figur ld ein weiteres beispielhaftes Stereomikroskop mit einer Triangulationsanordnung nach dem Stand der Technik;
Figur le ein mit dem Stereomikroskop aus Figur ld aufgenommenes Wavelet:
Figur lf eine beispielhafte Triangulationsanordnu ng nach dem Stand der Technik;
Figur lg ein mit der Anordnung aus Figur l d aufgenommenes Wavelet;
Figur lh eine beispielhafte Triangulationsanordnung mit internen Tiefenscan nach dem Stand der Technik;
Figur Ii eine beispielhafte beidseitig telezentrische Abbildungsstufe zur Projektion und zur Detektion eines strukturiert beleuchteten Objekts nach dem Stand der Technik;
Figur lj ein beispielhaftes Wavelet, welches pixelweise mit einer Anordnung nach den Figuren l f, lh oder 1 i durch eine Messung erzeugt werden kann;
Figur lk ein beispielhaftes symmetrisches Wavelet;
Figur 11 ein beispielhaftes asymmetrisches Wavelet
Figur 2 eine beispielhafte kontinuierlich Fokus-scannende Triangulationsanordnung mit einem
Doppel- Wavelet- Ansatz und einem externen kontinuierlichen Scan.
Figur 3 ein beispielhaftes erstes Linien gitter mit einer ersten Gitterperiode p 1 ;
Figur 4 ein beispielhaftes zweites Liniengitter mit einer zweiten Gitterperiode p_2;
Figur 5 ein erstes Wavelet Wl, welches aus dem ersten Liniengitter (Fig. 3) resultiert;
Figur 6 ein zweites Wavelet W2, welches aus dem zweiten Liniengitter (Fig. 4) resultiert;
Figur 7 die Schwebung der mit den Liniengittern aus Fig. 3 und 4 aufgenommenen Wavelets;
Figur 8a ein beispielhaftes erstes Wavelet WR1 für einen Referenzmesspunkt R, gehörend zu einem Pixel P, welches mit dem ersten Liniengitter (Fig. 3) aufgenommen wurde;
Figur 8b ein beispielhaftes zweites Wavelet WR2 für einen Referenzmesspunkt R, gehörend zu einem Pixel P, welches mit dem zweiten Liniengitter (Fig. 4) aufgenommen wurde;
Figur 8c die Schwebung der mit den Liniengittem aus Fig. 3 und 4 aufgenommenen Referenz-
Wavelets;
Figur 8d ein beispielhaftes erstes Wavelet WO 1 für einen Objektmesspunkt i, gehörend zu einem Pixel P_i, der mit dem ersten Liniengitter (Fig. 3) gemessen wurde;
Figur 8c ein beispielhaftes zweites Wavelet WO 1 für einen Objektmesspunkt i, gehörend zu einem Pixel P i, der mit dem zweiten Liniengitter (Fig. 4) gemessen wurde; Figur 9 eine beispielhafte Triangulationsanordnung mit einem Doppel-Wavelet- Ansatz und einem externen Tiefenscan;
Figur 10 ein beispielhaftes erstes Liniengitter mit einer ersten Gitterperiode p 1 SLM;
Figur 11 ein beispielhaftes zweites Linien gilt er mit einer zweiten Gitterperiode p 2 SLM; Figur 12 eine beispielhafte Anordnung mit einem externen Tiefenscan, bei der auch die Farbe des Messobjekts ermittelt werden kann;
Figur 13 eine beispielhafte Triangulationsanordnung mit einem internen kontinuierlichen Scan;
Figur 14 eine beispielhafte Triangulationsanordnung basierend auf der Anordnung aus Figur
13 mit zweiseitiger Beleuchtung;
Figur 15a eine beispielhafte Triangulationsanordnung mit zweiseitiger Beleuchtung;
Figur 15b eine beispielhafte Triangulationsanordnung mit zweiseitiger Beleuchtung;
Figuren 16a bis 16g jeweils beispielhafte Triangulationsanordnungen mit einem internen
Tiefenscan mit mindestens zwei Planspiegelflächen im Projektionsstrahlengang;
Figuren 17 und 18 jeweils beispielhafte Triangulationsanordnungen mit einem internen Tiefenscan mit mindestens zwei Planspiegelflächen im Projektionsstrahlengang;
Figur 19 eine Triangulationsanordnung mit einem externen Tiefenscan mit zwei Liniengittern;
Figur 20 das erste Liniengitter, welches bei der Anordnung aus Fig. 19 verwendet wird;
Figur 21 das zweite Liniengitter, welches bei der Anordnung aus Fig. 19 verwendet wird.
Figur 22 das erste Wavelet, welches aus dem ersten Liniengitter (Fig. 20) resultiert;
Figur 23 das zweites Wavelet, welches aus dem zweiten Liniengitter (Fig. 21) resultiert;
Figur 24a ein erstes Wavelet für einen Referenzmesspunkt R, gehörend zu einem Pixel P, welches mit dem ersten Liniengitter (Fig. 20) aufgenommen wurde;
Figur 24b ein zweites Wavelet für einen Referenzmesspunkt R, gehörend zu einem Pixel P, welches mit dem zweiten Liniengitter (Fig. 21 ) aufgenommen wurde;
Figur 24c ein beispielhaftes erstes Wavelet für einen Objektmesspunkt i, gehörend zu einem Pixel P_i, der mit dem ersten Liniengitter (Fig. 20) gemessen wurde;
Figur 24d ein beispielhaftes zweites Wavelet WO 1 für einen Objektmesspunkt i, gehörend zu einem Pixel P i, der mit dem zweiten Liniengitter (Fig. 21) gemessen wurde;
Figur 25 eine beispielhafte Triangulationsanordnung mit einem internen Scan Anordnung mit einer in der Blendenebene angeordneten steuerbaren Blende;
Figur 26 ein erstes Wavelet W 1 SLM, welches bei einer ersten Position der Blendenöffnung in Fig. 25 resultiert; Figur 27 ein zweites Waveiet W2 SLM, welches bei einer zweiten Position der Blendenöffnung in Fig. 25 resultiert;
Figur 28 eine beispielhafte Triangulationsanordnung mit einem internen Tiefenscan, der „fliegend" durchgeführt wird;
Figur 29 beispielhafte Liniengitter-Strukturen;
Figur 30 eine beispielhafte Triangulationsanordnung mit einem internen Tiefenscan mit einem drehbaren Liniengitter;
Figur 31 eine beispielhafte Triangulationsanordnung mit einem internen Tiefenscan mit einem drehbaren Liniengitter;
Figur 32 eine erste Drehstellung des drehbaren Liniengitters in Fig. 30 und 31 ; und
Figur 33 eine zweite Drehstellung des drehbaren Liniengitters in Fig. 30 und 31.
Es ist eine dem Fachmann allgemein bekannte Tatsache, dass bei einer vergleichsweise großen Anzahl n FW 00 von Perioden unter der Kontrast-E i n h ü 11 enden mit ihrer vollen Breite FW 00 eines Wavelet-Signals, z.B. n FW OO = 20 bis 25, an realen Messobjekten häufig eine falsche Periode (Streifenperiode) identifiziert wird. Das ist der Fall meist oberhalb eines Triangulationswinkels von 30° bis 60°. Dies hängt aber auch von der maximalen numerischen Apertur von Projektions- und Dctcktionsobjektiv NA max im optischen System ab. So treten die dann vielfach zu beobachtenden 2Pi- und gegebenenfalls auch 4Pi- und eher selten sogar 6Pi-Sprünge in der Phasenkarte auf.
Die sich ergebende Anzahl von Perioden n FW OO unter der vollen Breite der Kontrast- Einhüllenden - gerechnet von erster Nullstelle links zu erster Nullstelle rechts - bei Nutzung einer Triangulations-Messanordnung mit Tiefen-Messrichtung parallel zur Achse der Detektion kann mit der Gleichung (1) n FW OO « 1.22*[tan (beta_P)+ tan (beta D)] / NA max (1 ) zumindest näherungsweise gut für Triangulationswinkel beta P und beta D jeweils kleiner/gleich 45° abgeschätzt werden. In Gleichung (1) ist beta P der Triangulationswinkel der Projektion und beta P der Triangulationswinkel der Detektion. Dabei bestimmen sich die Teilwinkel der Triangulation beta P und beta D stets zwischen Hauptstrahl und Normale der Schärfeebene. Die numerische Apertur NA max stellt die größte numerische Apertur von Beleuchtung oder von Detektion im Objektraum der Triangulations-Messanordnung dar. Es geht hierbei bevorzugt um Messanordnungen, bei denen der Gesamt-Triangulationswinkel (beta P + beta D) 90° nicht wesentlich übersteigt, da bei tiefgeformten Objekten dann auch das Problem der unerwünschten Abschattung relevant wird. Dabei ist anzumerken, dass nur die numerische Apertur NA eines Strahlenganges zur näherungsweisen Abschätzung der Anzahl von Perioden n_FW_00 in Betracht kommt, wo auch ein Tiefenscan stattfindet. Allein die effektive Pupillenausleuchtung im Sinne einer Apodisation kann die Ergebnisse der Abschätzung merklich beeinflussen. Zur Fokus-variierenden oder Fokus-scannenden Triangulation mit strukturierter Beleuchtung mit Erzeugung eines Wavelet-Signals, insbesondere auch für die 3 D-Gestaltmessung im makroskopischen Bereich ist bekannt, dass bei einer Anzahl der Perioden n FW 00 über dem vollen Bereich der Kontrast-Einhüllenden eines Wavelet-Signals mit n_FW_00=25 bei einer derartigen Messanordnung an besonderen Problemzonen wie Kanten mit Grauwertwechseln extrem selten auch 8Pi-Sprünge in der Phasenkarte auftreten können (siehe Abb. 2 in [2]). Dann liegt bei einem 8Pi-Sprung die Auswertung der Kontrasteinhüllenden also um 4 Periodenlängen bei 25 Perioden unter der Kontrast-Einhüllenden falsch, was hierbei 0,16 FW_00 entspricht, wenn man von der nominellen Breite der Kontrast-Einhüllenden ausgeht. In Problemzonen kann auch hierbei eine Verbreiterung der Kontrast-Einh ül lenden auftreten. Dagegen ist nach
[2] bekannt, dass beim Messen an sehr kooperativen Messobjekten die Schwerpunktauswertung der Kontrast-Einhüllenden auch bei 25 Perioden unter der vollen Breite der Kontrast- Einhüllenden noch erstaunlich fehlerarm zum Auffinden der nullten Streifenordnung genutzt werden kann. Auch in Extremrallen sollte deshalb ein Eindeutigkeitsbereich über einen Bereich der Breite von +/-0.2FW 00 stets genügen. In der Regel wird jedoch ein Eindeutigkeitsbereich der Breite von -17-0, 16FW_00 als ausreichend angesehen.
Hierbei geht es bevorzugt um kontinuierlich Tiefenscannende Triangulation-Anordnungen mit Erzeugung eines Wavelet-Signals, bei welchen die konfokale Bedingung für separierte Pupillenzentren für Projektionslicht und detektiertem Licht eingehalten wird. Licht wird hierbei stets im Sinne elektromagnetischer Strahlung vom tiefen Ultraviolett- bis zum Terahertz- Bereich verstanden. Diese konfokale Bedingung ist bei einem externen Tiefenscan stets Prinzip bedingt eingehalten. Ein externer kontinuierlicher Tiefenscan bedeutet, dass es eine kontinuierliche Relativbewegung zwischen Triangulations-Messanordnung und Messobjekt gibt. Hierbei gibt es eine zumindest näherungsweise gemeinsame Schärfeebene von Projektion und Detektion, die im kontinuierlichen Tiefenscan von den Punkten des Messobjekts nach und nach bei tiefgeformten Objekten durchlaufen werden. Innere Komponenten der Triangulations- Messanordnung bleiben bei einem externen Tiefenscan stets in Ruhe zueinander, so dass gekoppelte Bildpunkte im Objcklraum stets gekoppelt bleiben, da sich die zugehörigen Komponenten nicht zueinander und auch nicht zur Triangulations-Messanordnung bewegen. Das ist jedoch bei einem internen kontinuierlichen Tiefenscan nicht so, da sich hierbei innere Komponenten der Triangulations-Messanordnung wie ein Liniengitter und/oder ein Kamera- Chip auch mit Tiefenkomponente - also mit Komponente in Richtung der Hauptstrahlen oder direkt in Richtung der Hauptstrahlen - in Bezug auf die Triangulations-Messanordnung bewegen. Im Rahmen dieser Anmeldung geht es stets sowohl um Triangulations- Messanordnungen mit einem externen als auch internen kontinuierlichen Tiefenscan. Kombinationen der beiden Scans sind ebenfalls möglich.
Das Einhalten der konfokalen Bedingung ist bei Nutzung von Triangulations- Messanordnungen mit einem internen kontinuierlichen Tiefenscan und Signalen in Wavelet- Form unverzichtbar, wenn eine vergleichsweise einfache Signalauswertung erfolgen soll. Dieses Einhalten der kon okalen Bedingung ist hierbei aber nicht a priori gegeben, sondern muss durch ein gezieltes Mandl ing erreicht werden. Das Einhalten der konfokalen Bedingung bedeutet für das Prinzip mit internem Tiefenscan eine permanente Kopplung im Sinne einer zumindest näherungsweisen optischen Konjugation von je einem Bildpunkt des Liniengitters und von je einem in den Objektraum rückabgebildeten Pixel - beispielsweise durch die Verschiebung des Liniengitters entlang der Gerade gA nach DE 198 46 145 AI . So wird jeweils ein Bildpunkt des Liniengitters im Sichtstrahl eines Pixels im gesamten Tiefenscan mitgeführt. Diese optische Konjugation von Bildpunkten soll also für den gesamten Tiefenbereich des Tiefenscans und auch für das gesamte Messfeld bestehen, also für das gesamte Messvolumen. Intern bedeutet, dass hier nur innere Komponenten der Anordnung im Tiefenscan bewegt werden. Nach außen verbleiben sowohl die Anordnung und als auch das Messobjekt in Ruhe.
Diese optische Konjugation, also das Einhalten der konfokalen Bedingung, ist dann von großem
Vorteil für die Messung, wenn die Strecken von Bildpunkten des Liniengitters im Objektraum stets auf das Pupillenzentrum der Abbildungsoptik des Detektionssystems im Objektraum zielen. Dann detektiert ein Pixel im gesamten Tiefenscan ein und denselben Objektpunkt. Bei telezentrischer Abbildung des Detektionssystems im Objektraum und Scan des Liniengitters mit Lateral komponente stellen die Strecken von Bildpunkten des Liniengitters im Objektraum Geraden dar, die in der Regel schiefwinklig zur optischen Achse der Abbildungsoptik für das Proj ektionssystem stehen. Hier gilt es die bekannte Scheimpllug-Bedingung zu beachten. Der Konvergenzpunkt K l der Strecken von Bildpunkten des Liniengitters im Objektraum liegt im Fall der objektseitigen Telezentrie dann im Unendlichen, wo sich auch die Pupille mit dem Pupillenzentrum PZ D des Detektionssystems befindet. Dabei muss in Abhängigkeit von der Tiefenbewegung des Liniengitters der Lateralscan so erfolgen, dass die Strecken von Bildpunkten des Liniengitters im Objektraum parallel zur optischen Achse des Detektionssystems im Objektraum ausgerichtet sind. Dies ist beim Bewegen des Liniengitters bei Telezentrie auf der Gitterseite der Projektionsoptik entlang einer Geraden gA gegeben. Nur beim Einhalten der konfokalen Bedingung kann jedem Pixel eine konstante und durch Referenzmessung einmalig oder mehrmalig bestimmbare Anfangsphase im Signal-Wavelet zugeordnet werden, welche jeweils langfristig abgespeichert wird, so dass ein Referenz- Datensatz von Referenz-Phasen besteht. Anders als beim kurzkohärenten Interferometer, auch als Weißlicht-Interferometer bekannt, wo bei perfekter Optik die Anfangsphasc für alle Pixel null ist, ist die Anfangsphase bei einer Tiefenscannenden Anordnung mittels Liniengitter zunächst unbekannt, da diese sich aus der zufälligen lateralen Lage eines Liniengitters in der Triangulationsanordnung ergibt. Diese Anfangsphase muss somit mindestens einmal durch eine Referenzmessung bestimmt und dann dauerhaft abgespeichert werden. Für die Referenzmessung wird dabei vorteilhafterweise eine hochebene und gut lichtstreuende, helle und wegen erforderlicher mechanischer Stabilität auch dicke Platte benutzt, beispielsweise ähnlich wie Gips oder opake Feinkeramik. Dies wird hier als optisch kooperativ angesehen. Eine hohe mechanische Langzeitstabilität der Anordnung sichert dann die Konstanz der pixelweise einmal bestimmten An angsphasen aus der Referenzmessung. Diese pixelweise dann bekannten Anfangsphasen sind für die pixelweise Bestimmung der Tiefenposition der Messpunkte am Objekt unverzichtbar, die sich somit stets auf eine vorab durchgeführte Referenzmessung bezieht. Beispiel 1
Das Beispiel 1 betrifft ein Verfahren zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen- Triangulation mit Wavelet-Signal-Erzeugung, insbesondere auch für die D-Gestaltmessung in Mikroskopie und Mesoskopie, mit einer Streifen-Triangulation- Anordnung zur strukturierten Beleuchtung. Das Verfahren kann mit der in den Figuren 2 bis 12, 13, 14, 15a, 1 b, 17, 19 bis 27 und 31 bis 33 gezeigten Anordnung durchgeführt werden.
Es gibt mindestens ein Messobjekt 6, 61 , 62, 63 welches somit strukturiert beleuchtet wird.
Die Streifen -Triangulation- Anordnung ist
mit einem Projektionsstrahlengang mit einer dem Objektraum zugeordneten Frontoptik
412, 4121, 4122,
mit einer Blende 51 ,
mit einem vom Projektionsstrahlengang getrennten Detektionsstrahlengang, mit mindestens einem gerasterten Lichtdetektor 71 , 72, 73 mit Pixeln,
mindestens einem Rechnersystem 17 mit Steuerangs- und Auswerteprogrammen und mit rechnersteuerbaren Bewegungsmitteln 8, 81 zum kontinuierlichen Tiefenscan ausgebildet.
Die Frontoptik 412, 4121 , 4122 kann dabei als eine Linse, eine Spiegellinsc, ein Spiegel oder als ein di ffraktiv-opti sches Element ausgebildet sein, welche dem Objektraum zugeordnet ist.
Beim kontinuierlichen Tiefenscan wird entweder die gesamte Triangulationsanordnung in Relation zum Messobjekt 6 bewegt. Oder es erfolgt die kontinuierliche Bewegung
von Komponenten der Triangulationsanordnung in Relation zum Messobjekt 6, - vom Messobjekt 6, 61 , 62, 63
oder von mindestens einem Liniengitter 21 , 22, 24, 25, 26. Es wird ein periodisches Gitter, also ein Liniengitter 21, 22, 24, 25, 26, eingesetzt. Dies kann sowohl ein Ronchi-Gitter, aber auch ein periodisches Gitter mit einer Kosi nus -Quadrat- Charakteristik sein, welches auch als Sinusgitter bekannt ist. Mindestens in einem der beiden Sirahlengänge, im Projektionsstrahlengang für die Abbildung des Liniengitters oder im Detektionsstrahlengang für die Rüek-Abbildung des gerasterten Detektors oder sowohl in beiden Strahlengängen ist vorzugsweise die Scheimpllug-Bedingung zumindest näherungsweise erfüllt.
Der kontinuierliche Tiefenscan wird durch
entweder eine kontinuierliche Relativbewegung zwischen Messobjekt 6 und der Triangulationsanordnung,
oder eine kontinuierliche Relativbewegung zwischen Messobjekt 6 und der Schärfeebene mindestens eines Gitterbildes im Objektraum,
oder eine kontinuierliche Variation der Brechkraft im Projektionsstrahlengang durchgeführt.
Im obigen Beispiel geht es vorzugsweise um Anordnungen mit einer Anzahl von Perioden n FW ÜÜ > 6 unter der vollen Breite der Kontrast-F.inhüllenden. also innerhalb der ersten beiden Nullstellen (-1 , +1), welche die Beziehung in Gleichung (1) einhalten. Bei einem handelsüblichen Stereomikroskop, beispielsweise der Firma Leica, mit zwei getrennten Pupillen in Originalgröße liegt die Anzahl der Perioden n FW 00 meist nicht über fünf, so dass diese Geräteklasse eher ungeeignet ist.
Im Tiefenscan:
- werden entweder mindestens zwei räumlich separierte feste periodische Gitter bzw.
Liniengitter 21, 22, 24, 25, 26 in der Triangulationsanordnung mit mindestens einer Lichtquelle 101 bis 1 14 beleuchtet oder die Liniengitter sind Selbstleuchter. Das Licht von den Liniengittern 21, 22, 24, 25, 26 passiert jeweils die Blende 51 bzw. die
Blenden ebene im Projektionsstrahlengang, durch welche das Objekt strukturiert beleuchtet wird. Beispielsweise erfolgt durch Strahlvereinigung eine Einkopplung des Lichts von den separierten Liniengittern in den Projektionsstrahlengang. Es besteht also nur ein einziger Projektionsstrahlengang, da das gesamte Projektionslicht denselben Projektionsstrahlengang mit der einzigen, dem Objektraum zugeordneten Frontoptik passiert;
Oder, es ist ein einziger räumlicher Lichtmodulator 23 oder ein schaltbarcr strukturierter Lichtgeber (z.B. ein OLED) angeordnet. So bestehen entweder gleichzeitig unterschiedliche feste Gitterperioden p 1 und p_2 oder es werden nacheinander schaltbare Gitterperioden p_l und p_2 generiert.
Die Gitterperioden p_l und p_2 erfüllen die beiden Beziehungen: p_2 > 1 ,01 * p_l und p 2 < 100*p 1 .
Für p 2 < l ,5*p_l wird die Gitterperiode p 2 noch als feine Periode angesehen und es wird die Bezeichnung p_2_f genutzt. Die sich aus den beiden feinen Perioden p_l und p_2_f ergebende Schwebungsperiode p 12 bestimmt den Eindeutigkeitsbereich bei der Bestimmung der Streifenordnung.
Für die Beziehung p_2 > 3* p 1 wird die Gitterperiode p_2 als grobe Periode angesehen und als p_2_g bezeichnet. Diese grobe Periode p_2_g bestimmt den Eindeutigkeitsbereich bei der Bestimmung der Streifenordnung.
Der Bereich l ,5*p_l < p_2 < 3*p_l ist eher weniger von Interesse für die technische und wirtschaftliche Nutzung des Messverfahrens. Somit beträgt die Schwebungs-Gitterperiode vorzugsweise mindestens 3 feine Gitterperioden p 1. Wird die zweite Gitterperiode als eine grobe Gitterperiode gewählt, p_2_g, beträgt diese bevorzugt mindestens das 3 fache der feinen
Gitterperiode p 1.
Dabei wird/werden die Liniengittcr 21 , 22, 24, 25, 26, welche Gitter mit fester Gitterperiode darstellen, entweder zeitlich abwechselnd beleuchtet oder die Liniengitter sind Selbstleuchter, auch mit fester Gitterperiode, und leuchten zeitlich abwechselnd.
Oder, es wird der räumliche Lichtmodulator beleuchtet und von diesem werden nacheinander Gitterperioden p_l und p_2 geschaltet.
Oder, der schaltbare strukturierte Lichtgeber, vorzugsweise ein OLED, schaltet nacheinander Gitterperioden p_l und p_2. Dieser wird bevorzugt rechnergesteuert. Stets werden beleuchtete Liniengitter, Selbstleuchter, beleuchtete räumliche Lichtmodulator oder schaltbare strukturierte Lichtgeber auf das Messobjekt durch denselben Projcktionsstrahlengang projiziert. So besteht ein mit Streifen strukturiert beleuchtetes Messobjekt und dieses Messobjekt wird unter Nutzung des Detckt ionsstrah 1 enganges von einem gerasterten Lichtdetektor detektiert.
Die festen Liniengitter können auch mit Licht mit jeweils unterschiedlichen Farbspektrum gleichzeitig beleuchtet werden. Alternativ sind die Liniengitter Selbstleuchter mit jeweils unterschiedlichem Farbspektrum. Die Liniengitter werden gleichzeitig auf das Messobjekt durch denselben Projektionsstrahlengang projiziert und so besteht ein strukturiert und farbig beleuchtetes Messobjekt und dieses Messobjekt wird unter Nutzung des Detektionsstrahlenganges von einem gerasterten Lichtdetektor mit mindestens zwei Farbkanälen detektiert.
Die strukturierte Beleuchtung erfolgt im kontinuierlichen Tiefenscan mit mindestens zwei unterschiedlichen Liniengittern durch einen einzigen Projektionsstrahlengang einer Projektionsoptik. Das somit unterschiedlich strukturierte Licht gelangt in allen Beleuchtungssituationen demzufolge jeweils über dieselbe Projektionsoptik auf das Messobjekt. In der Regel gibt es bei einer Triangulations-Messanordnung nur eine einzige Projektionsoptik. Jedoch ist auch die Anordnung mehrerer Projektionsoptiken in einem Triangulations-Messsystem möglich. Auch dann werden durch jede einzelne Projektionsoptik mindestens zwei unterschiedliche Lichtstrukturen auf das Messobjekt zeitseriell oder bei spektraler Trennung auch gleichzeitig im kontinuierlichen Tiefenscan gebracht, die sich aus der Abbildung von mindestens zwei Liniengittern ergeben. Die Liniengitter stellen bevorzugt Liniengitter dar. Oder, es wird andererseits die numerische Apertur in der Anordnung soweit erhöht, wie das im Weiteren noch dargestellt wird, dass zumindest für kooperative Messobjekte eine Auswertung ohne 2Pi-Sprünge möglich ist. So wird im kontinuierlichen Tiefenscan eine Folge von Bildern des strukturiert beleuchteten Messobjekts 6 aufgenommen. Entweder, es besteht ein Bilderstapel S im Speicher bei zeitlicher abwechselnder Beleuchtung oder abwechselndem Selbstleuchten der zwei festen Liniengitter oder des räumlichen
Lichtmodulators - wie beispielsweise ein Flüssigkristall (LCD) oder ein Digitales Mikrospiegel-Array (DMD) - oder des schaltbaren strukturierten Lichtgebers wie beispielsweise ein OLED.
Oder, es bestehen zwei separierte Bilderstapel S im Speicher bei Verwendung von z.B. zwei Farbkanälen. Dies können von zwei unterschiedlichen Kamera-Chips einer Zwei- oder Drei- Chip-Farbkamera gewonnen werden.
Entweder bei einer zeitlich abwechselnden Beleuchtung oder bei einem abwechselnden Selbstleuchten der zwei festen Liniengitter pro Pixel des gerasterten Lichtdetektors werden aus dem Bilderstapel S durch abwechselndes Auslesen zwei in der Periode unterschiedliche Wavelets Wl und W2 mit den Wavelet-Perioden pw 1 und Wavelet-Perioden pw_2 erzeugt. Durch den Tiefenscan weisen diese Wavelets Wl und W2 jeweils eine Kontrast-Einhüllende CE auf und diese Wavelets Wl und \V2 werden separat in einem digitalen Speicher abgespeichert.
Oder, es ird bei einer zeitlich gleichzeitigen Beleuchtung oder bei einem Selbstleuchten der zwei Liniengitter mit Licht mit jeweils unterschiedlichen Farbspektrum in jedem der beiden Farbkanäle ein Wavelet generiert. So werden die Wavelets Wl und W2 mit den Wavelet- Perioden pw 1 und pw_2 durch den Tiefenscan jeweils mit einer Kontrast-Einhüllenden CE 1 und CE 2 erzeugt und diese Wavelets Wl und W2 werden separat in einem digitalen Speicher abgespeichert.
Aus den Wavelets Wl und W2 wird mittels der Auswertung des Schwerpunkts mindestens einer der Kontrast-Einhüllenden CE_1 und CE 2 sowie mittels der Phasenauswertung sowohl der Wavelet-Periode pw 1 , welche einen Phasenwert (phi l modulo 2 Pi) liefert, als auch der Phasenauswertung der Wavelet-Periode pw_2, welche einen Phasenwert (phi_2 modulo 2 Pi) liefert, jeweils die Tiefenposition (z) von einem angemessenen Objektpunkt pixelweise mittels Auswerteprogramm bestimmt. Dabei wird die Tiefenposition pixelweise mittels jeweils pixelweise gegebenen Referenz- Phasenwerte (phi R 1, phi_R 2) der Wavelet-Perioden pw_l und pw_2 bestimmt. Diese Phasenwerte (phi R I modulo 2 Pi, phi_R_2 modulo 2 Pi) wurden durch eine vorab durchgeführte Referenzmessung mittels Referenz-Messobjekt pixelweisc bestimmt und in einem Datenspeicher abgelegt.
Nun wird genau die Tiefenposition für einen Messpunkt des Messobjekts aus den errechneten Phasenwerten (phi_0_l , phi_0_2 modulo 2 Pi) pixelweise errechnet, welche sowohl dem Referenz-Phasenwert (phi R 1 modulo 2 Pi) der Wavelet-Periode pw l als auch dem Phasenwert (phi_R_2 modulo 2 Pi) der Wavelet-Perioden pw 2 in der Umgebung des errechneten Schwerpunktes (CoG 1 ) der Kontrast-Einhüllenden des Wavelets Wl und/oder des errechneten Schwerpunktes (CoG_2) der Kontrast-Einhüllenden des Wavelets W2 aus der Messung des Messobjekts zumindest näherungsweise entsprechen. Die Wavelet-basierte Messtechnik liefert insbesondere die Möglichkeit, anhand der Form der Kontrast-Einhüllenden des Wavelets Hinweise auf die Messunsicherheit des Messpunktes bekommen zu können. So kann bei jedem Messpunkt die Kontrolle der bekannten Nenn- Halbwertsbreite des Wavelets der Anordnung oder die Schiefe des Wavelets bei ermittelten Wavelets überwacht werden und bei signifikanten Abweichungen von Halbwertsbreite oder Symmetrie der Einhüllenden kann dieser Messwert verworfen werden. Messwerte großer Unsicherheit weisen oft eine Einsattelung in der Kontrast-Einhüllenden oder eine merkliche Schiefe, also eine Asymmetrie, der Kontrast-Einhüllenden auf.
BeispieLL-l
Bei dem Verfahren zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach dem Beispiel 1 können durch die Wahl der Gitterperioden p 1 und p 2 mit p_2 < 2*p_l die Wavelets Wl und W2 numerisch eine Schwebung mit mindestens einer Schwebungs-Periode pw l 2 zueinander aufweisen, die mindestens doppelt so groß ist wie die Wavelet-Periode pw_l des Wavelets W l . Dabei gibt die Schwebungs-Periode pw_12 den Eindeutigkeitsbereich EDB vor. Beispiel 1-2
Bei dem Verfahren zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach dem Beispiel 1 kann auch durch die Wahl der Gitterperioden p_l und p_2 mit p_2 > 2*p 1 das Wavelet W2 deutlich gröber als das Wavelet Wl ausgebildet werden, wobei die Wavelet- Periode pw 2 des Wavelets W2 mindestens doppelt so groß ist wie die Wavelct-Periode pw j des Wavelets W_l . Hierbei gibt die Schwebungs-Pcriode pw 2 den Eindeutigkeitsbereich EDB vor. Beispiel 1-3
Bevorzugt wird bei dem Verfahren zur kontinuierlich Tic fenscannend en Streifen-Triangulation nach einem der Beispiele 1 bis 1 -2 das Messobjekt - mittels einer telezentri sehen Blende im Projektionsstrahlengang - telezentri sc h beleuchtet.
Beispiel 1-4
Bevorzugt wird bei dem Verfahren zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der Beispiele 1 bis 1-3 das Messobjekt - mittels einer telezentrischen Blende im Detektionsstrahlengang - telezentrisch abgebildet.
Beispiel 1-5
Bevorzugt wird bei dem Verfahren zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der Beispiele 1 bis 1 -4 mit elektronischen itteln für mindestens ein schaltbares Gitter eine Variation der Gitterperiode durchgeführt.
Beispiel 2 Das Beispiel 2 betrifft eine Anordnung zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen- Triangulation mit Wavelet-Signal-Erzeugung, insbesondere auch für die 3 D-Gestaltmessung in Mikroskopie und Mesoskopie, mit einer Streifen-Triangulation- Anordnung zur strukturierten Beleuchtung. Beispielhafte Ausführungen der Anordnung gemäß dem Beispiel 2 sind in den Figuren 2 bis 12,13, 14, 15a, 15b, 17. 19 bis 27 und 3 Ibis 33 gezeigt
Es gibt mindestens ein Messobjekt 6, 61 , 62, 63, welches somit strukturiert beleuchtet wird.
Die Streifen -Triangulation-Anordnung ist
mit einem Projektionsstrahlengang mit einer Blende 51 ,
mit einem vom Projektionsstrahlengang getrennten Detektionsstrahlengang, mit mindestens einem gerasterten Lichtdetektor 71 , 72, 73 mit Pixeln,
mindestens einem Rechnersystem 17 mit Steuerungs- und Auswerteprogrammen und mit rechnersteuerbaren Translations-Bewegungsmitteln 8, 81 mit einer
Translationsachse TA zum kontinuierlichen oder zumindest quasi-kontinuieriiehen
Tiefenscan
ausgebildet.
Beim Tiefenscan wird entweder die gesamte Triangulationsanordnung in Relation zum Messobjekt bewegt. Dabei handelt es sich um einen externen Tiefenscan. Oder es erfolgt die Bewegung
von Komponenten der Triangulationsanordnung in Relation zum Messobjekt, oder des Messobjekts
oder von mindestens einem Liniengitter.
Letzteres stellt z.B. einen internen Tiefenscan dar. Der kontinuierliche Tiefenscan wird durch
- entweder eine kontinuierliche Relativbewegung zwischen Messobjekt und der Triangulationsanordnung
- oder eine kontinuierliche Relativbewegung zwischen Messobjekt und der Schärfeebene mindestens eines Gitterbildes im Objektraum
- oder eine kontinuierliche Variation der Brechkraft im Projektionsstrahlengang durchgeführt.
In der kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen-Triangulationsanordnung sind mindestens zwei räumlich separierte Liniengitter 21, 22, 24, 25, 26 mit unterschiedlichen Gitterperioden p 1 und p 2 angeordnet, die mit mindestens einer Lichtquelle beleuchtet werden oder es sind Selbstleuchtcr angeordnet. Diese sind dann bevorzugt als OLEDs ausgebildet.
Diese räumlich separierten Liniengitter sind mit Gitterperioden p_l und p_2 ausgebildet, stellen also Liniengitter dar, welche die beiden Beziehungen p_2 > l ,0) * p_l und p_2 < 100*p_l erfüllen.
Die Blende 51 des Projektionsstrahlenganges ist stets beiden Liniengittern nachgeordnet. Das Licht, welches von den beiden Liniengittern kommt, passiert also stets dieselbe Blende und denselben Projektionsstrahlengang. So ist für jedes Liniengitter der Triangul ationswinkel zumindest näherungsweise gleich und somit sind auch die Beleuchtungsverhältnisse für das Messobjekt sehr ähnlich.
Beispiel 2- 1
Bevorzugt ist bei der Anordnung zur kontinuierlich Tiefenscannenden Strei fen-Triangulation nach dem Beispiel 2 die optische Achse des Projektionsstrahlenganges im Array-Raum (APA) zur optischen Achse des Detektionsstrahlenganges im Array-Raum (ADA) signifikant geneigt angeordnet.
Beispiel 2b
Weiterhin ist vorzugsweise bei der Anordnung zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen- Triangulation nach dem Beispiel 2 oder 2- 1 die optische Achse des Detektionsstrahlenganges im Objekt- Raum (ADO) parallel zur Translationsachse TA angeordnet. So bleibt im Scan ein Pixel des gerasterten Detektors jeweils einem Messpunkt am Messobjekt - zumindest im Fall von telezentrischer Abbildung des Messobjekts - über den Abbildungsstrahl zumindest näherungsweise fest zugeordnet. Dagegen ändert sich im kontinuierlichen internen Tiefenscan — im Fall der signifikanten Neigung der optischen Achsen APA und ADA zueinander - die Phase in jedem Pixel des gerasterten Detektors auch kontinuierlich. Beim externen kontinuierlichen Tiefenscan - im Fall der signifikanten Neigung der optischen Achsen APO und ADO zueinander im Objektraum - ändert sich die Phase in jedem Pixel des gerasterten Detektors ebenfalls kontinuierlich. Beispiel 2-3
Des Weiteren ist bei der Anordnung zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen- Triangulation nach einem der Beispiel 2 bis 2-2 im Projektionsstrahlengang bevorzugt ein auf der Seite des Array-Raums telezentrisches Objektiv angeordnet. Damit ist bei einem internen Scan die Phasenveränderung im Scan auf dem gerasterten Detektor für alle Pixel, denen Bildpunkte vom Messobjekt zugeordnet sind, zumindest näherungsweise vom gleichen Betrag.
Beispiel 2-4 Des Weiteren ist bei der Anordnung zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen- Triangulation nach einem der Beispiele 2 bis 2-2 im Projektionsstrahlengang bevorzugt ein beidseitig telezentrisches Objektiv angeordnet.
Beispiel 2-5
Des Weiteren ist bei der Anordnung zur kontinuierlich Ti efenscannend en Streifen- Triangulation nach einem der Beispiele 2 bis 2-4 im Detektionsstrahlengang bevorzugt ein auf der Seite des Array-Raums telezentrisches Objektiv angeordnet. Beispiel 2-6
Des Weiteren ist bei der Anordnung zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen- Triangulation nach einem der Beispiele 2 bis 2-5 im Detektionsstrahlengang bevorzugt ein beidseitig telezentrisches Objektiv angeordnet. Beispiel 2-7
Des Weiteren ist bei der Anordnung zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen- Triangulation nach einem der Beispiele 2 bis 2-6 bevorzugt mindestens ein Gitter als räumlicher Lichtmodulator ausgebildet. Damit können zwei unterschiedliche Gitterstrukturen geschaltet werden. Dies kann im direkten Wechsel erfolgen. Andererseits, insbesondere, wenn es sich um einen im Verhältnis zum gerasterten Detektor eher langsamen Lichtmodulator handelt, kann im Hinlauf das erste Liniengitter mit der feinen Periode eingeschrieben werden und im Rücklauf das zweite Liniengitter mit einer etwas gröberen Periode. Dieser Ansatz liefert zwei getrennte Bilderstapel mit separierten Wavelets, die zu etwas unterschiedlichen Zeiten aufgenommen wurden. Das setzt jedoch eine gewisse Konstanz der Messbedingungen und der Stabilität der Messanordnung voraus.
Beispiel 3
Das Beispiel 3 betrifft ein weiteres beispielhaftes Verfahren zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen-Triangulation mit Wavclet-Signal-Erzeugung, insbesondere auch für die 3 D-Gestaltmessung in Mikroskopie und Mesoskopie mit einer Streifen-Triangulation- Anordnung zur strukturierten Beleuchtung. Das Verfahren kann mit der in den Figuren 25 bis 27 gezeigten Anordnung durchgeführt werden.
Es gibt mindestens ein Messobjekt 6, 61 , 62, 63, welches somit strukturiert beleuchtet wird.
Die Streifen- Triangulation- Anordnung ist mit einem Projektionsstrahlengang mit einer Blende 51 , mit einem vom Projcktionsstrahlengang getrennten Detektionsstrahlengang, mit mindestens einem gerasterten Lichtdetektor 71 , 72, 73, 74, 75 mit Pixeln, mindestens einem Rechnersystem 17 mit Steuerungs- und Auswerteprogrammen und mit rechnersteuerbaren Bewegungsmittcln 8, 81 zum Tiefenscan ausgebildet.
Beim kontinuierlichen Tiefenscan wird entweder die gesamte Triangulationsanordnung in Relation zum Messobjekt bewegt. Oder es erfolgt die kontinuierliche Bewegung
von Komponenten der Triangulationsanordnung in Relation zum Messobjekt, oder des Messobjekts - oder von mindestens einem Liniengilter 2, welches ein festes periodisches Liniengitter ist.
Der kontinuierliche Tiefenscan wird durch
entweder eine kontinuierliche Relativbewegung zwischen Messobjekt und der Triangulationsanordnung
oder eine kontinuierliche Relativbewegung zwischen Messobjekt und der Schärfeebene mindestens eines Gitterbildes im Objektraum
oder eine kontinuierliche Variation der Brechkraft im Projektionsstrahlengang durchgeführt.
Im kontinuierlichen Tiefenscan wird das feste periodische Gitter 2 mit einer Periode p, bevorzugt ein feines Liniengitter, mit mindestens einer Lichtquelle beleuchtet, bevorzugt mittels einer LED-Beleuchtung. Oder, dieses Liniengitter 2 ist ein Selbstleuchter. Bevorzugt kann dieses Liniengitter auch als räumlicher Lichtmodulator ausgebildet sein.
In der Blendenebene des Projektionsstrahlenganges oder/und des Detektionsstrahlenganges sind
entweder ein räumlicher Lichtmodulator (Spatial light modulator, SLM) oder eine lateral mechanisch verschiebbare gesteuerte Blende
oder eine lateral gesteuerte Flüssigkeitsblende
als steuerbare Blende angeordnet, welcher oder welche - bezogen auf die optische Achse des jeweiligen Abbildungsstrahlenganges - lateral unterschiedliche Bereiche der Blendenöffnung vorbestimmt gesteuert zur Li chttransmi ssion oder Lichtreflexion abwechselnd freigeben. So wird der effektive Triangulationswinkel der Streifen-Triangulationsanordnung vorbestimmt gesteuert etwas verändert, so dass nacheinander mindestens zwei unterschiedliche effektive Triangulationswinkel beta 1 und beta 2 in der Streifen-Triangulationsanordnung bestehen, welche die beiden Beziehungen beta_2 > 1 ,01 * beta _l und beta _2 < l,25* beta_l erfüllen. Es wird also hierbei der geometrische Schwerpunkt der Blendenöffnung oder auch der photometrische Schwerpunkt der Blendenöffnung variiert. Damit ändern sich der Ort des effektiven Blendenzentrums der Triangulalionsanordnung und somit auch der effektive Triangulationswinkel. Eine Variation des Schwerpunkts der Blendenöffnung beeinflusst auch die Triangulationswellenlänge, welche einen direkten Einfluss auf die Wavelet-Periode des Wavelets besitzt. Dies erfolgt bevorzugt nach jeder einzelnen Bildaufnahme vom Messobjekt mittels gerasterten Detektors.
Wird der räumliche Lichtmodulator oder eine wie auch immer geartete steuerbare Blende mit Lateral- Verschiebung oder einer Komponente mit Lateral-Verschiebung des Blendenzentrums oder des photometrischen Schwerpunkts in der Blendenebene des Detektionsstrahlenganges angeordnet, führt dies zu einem durchaus vorteilhaften Nebeneffekt. Nämlich zum Effekt, dass die numerische Apertur des Detektionsstrahlenganges kleiner als die numerische Apertur des Projektionsstrahlenganges jeweils im Objektraum ist. Dadurch wird im Scan die Bildpunkt- Verwaschung bei der Bildaufnahme begrenzt. Das ist bei feinstrukturierten Objekten von Vorteil oder bei Objekten mit einem Hell-Dunkel-Übergang auf der Oberfläche, z.B. in Form eines auf der Objektoberfläche aufgedruckten Schwarz-Weiß-Musters. Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten für die Blendensteuerung: In einem ersten Fall liegt der Schwerpunkt der Blendenöffnung im ersten Zustand stets auf der optischen Achse des Detektionsstrahlenganges und im zweiten Zustand ist die Blendenöffnung dezentriert oder zweiten Fall sind beide Schwerpunkte der Blendenöffnung in gleichem Abstand zur optischen Achse des Detektionsstrahlenganges dezentriert. Dieser Ansatz mit der gesteuerten Blendenöffnung zur Variation der effektiven Triangulationswellenlänge ist für eher kooperative Objekte ohne merkliche Feinstruktur und mit gleichmäßiger Lichtstreuung, also für die Messung der Abweichung von der Ebene und der Sollform von Objekten mit eher geringen Oberflächengradienten, besonders geeignet.
So besteht ein strukturiert beleuchtetes Messobjekt unter Nutzung von zwei Triangulations- wcllenlängen bei Nutzung nur eines einzigen Projektionsstrahlenganges, wenn die abbildenden Komponenten desselben den Projektionsstrahlengang definieren. Das Messobjekt wird unter Nutzung des Detektionsstrahlenganges von einem gerasterten Lichtdetektor detektiert und im Tiefen sc an wird eine Folge von Bildern des strukturiert beleuchtete Messobjekts aufgenommen. So können Wavelets mit unterschiedlichen Wavelet-Perioden generiert werden. So wird im Tiefenscan ein Bilderstapel im Speicher bei zeitlicher abwechselnder Blendenöffnung aufgenommen und aus dem Bilderstapel werden durch abwechselndes Auslesen von zwei in der Periode unterschiedliche Wavelets Wl und W2 mit den Wavelet- Periode pw 1 und pw_2, erzeugt und dabei korrespondiert das Wavelet Wl mit dem effektiven Triangulationswinkel beta 1 und Wavelet W2 mit dem effektiven Triangulationswinkel beta_2. Durch den kontinuierlichen Tiefenscan weisen diese Wavelets Wl und W2 jeweils eine Kontrast-Einhüllende auf und diese Wavelets Wl und W2 werden separat in einem digitalen Speicher abgespeichert.
Aus den Wavelets Wl und W2 wird mittels der Schwerpunktaus wertung mindestens einer der Kontrast-Einhüllenden (CE_1 , CE 2) sowie mittels der Phasenauswertung sowohl der Wavelet- Periode pw_l , welche einen Phasenwert (phi_0 1 modulo 2 Pi) liefert, als auch der Phasenauswertung der Wavelet-Perioden pw_2, welche einen Phasenwert (phi O 2 modulo 2 Pi) liefert, jeweils die Tiefenposition z O von einem angemessenen Objektspunkt pixelweise mittels Auswerteprogramm bestimmt.
Dabei wird die Tiefenposition pixelweise mittels jeweils pixelweise gegebenen Referenz- Phasenwerten (phi R 1 , phi R_2) der Wavelet-Periode pw l und Wavelet-Periode pw 2 bestimmt. Diese Phasenwerte (phi R l modulo 2 Pi, phi R 2 modulo 2 Pi) wurden durch eine vorab durchgeführte Referenzmessung mittels Referenz -Messobjekt pixelweise bestimmt und in einem Datenspeicher abgelegt.
Die Tiefenposition für das Messobjekt wird aus den errechneten Phasenwerten (phi_l , phi_2 modulo 2 Pi) pixelweise errechnet, und zwar genau die Tiefenposition, welche sowohl dem Referenz-Phasenwert (phi_R_l modulo 2 Pi) der Wavelet-Periode pw 1 als auch dem Phasenwert (phi R 2 modulo 2 Pi) der Wavelet-Periode pw_2 in der Umgebung des errechneten Schwerpunktes (CoG_l) der Kontrast-Einhüllenden des Wavelets W l und/oder des errechneten Schwerpunktes (CoG 2) der Kontrast-Einhüllenden des Wavelets W2 aus der Messung des Messobjekts zumindest näherungsweise entsprechen. Bei dem Verfahren zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen-Triangulation ist der räumliche Lichtmodulator (SLM) bevorzugt als telezen tri sehe Blende im Proj ekt i onsstrahlengang angeordnet. Dieser räumliche Lichtmodulator (SLM) ist vorzugsweise als ein ferro-elektrischer Flüssigkristall ausgebildet. Diese arbeiten besonders schnell, beispielsweise auch mit Schaltfrequenzen im Kilohertz-Bereich.
Beispiel 3-1
Bevorzugt ist weiterhin bei dem Verfahren zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen- Triangulation nach dem Beispiel 3 im Detektionsstrahlengang eine telezentiische Blende angeordnet. Beispiel 3-2
Bevorzugt ist weiterhin bei dem Verfahren zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen- Triangulation nach dem Beispiel 3 der räumliche Lichtmodulator (SLM) als telezentrischc Blende im Detektionsstrahlengang angeordnet.
Bevorzugt ist weiterhin bei dem Verfahren zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen- Triangulation nach einem der Beispiele 3 bis 3-2 im Projektionsstrahlengang eine telezentrischc Blende angeordnet.
Beispiel 4
Das Beispiel 4 betrifft ein Verfahren zur Tiefenscannenden Streifen-Triangulation mit strukturierter Beleuchtung, insbesondere auch für die 3D-Gestaltmessung in Mikroskopie und Mesoskopie mit einer Streifen-Triangulationsanordnung zur strukturierten Beleuchtung mindestens eines Messobjekts 6, 61, 62, 63 mit einem festen Liniengitter. Das Verfahren basiert auf dem in DE 41 34 546 AI und DE 41 34 546 C2 beschrieben Ansatz. Das Verfahren kann mit den in den Figuren 31 bis 33 gezeigten Anordnungen durchgeführt werden. Die entstehenden Wavelets sind in den Figuren 5 bis 7 und 8a bis 8e gezeigt.
Die Streifen-Triangulationsanordnung zur strukturierten Beleuchtung mindestens eines Messobjekts mit einem festen Liniengitter 27 umfasst:
einen Projektionsstrahlengang mit einer Blende 51 ,
einen vom Projektionsstrahlengang getrennten Detektionsstrahlengang mit einer Blende
52,
mindestens einen gerasterten Lichtdetektor 73 mit Pixeln;
mindestens einen Rechnersystem 17 mit Steuerungs- und Auswerteprogrammen; und rechnersteuerbare Bewegungsmitteln zum kontinuierlichen Tiefenscan
entweder der gesamten Streifen-Triangulationsanordnung in Relation zum
Messobjekt,
- oder von Komponenten der Triangulationsanordnung in Relation zum Messobjekt, - oder des Messobjekts
oder des festen Liniengitters.
Der kontinuierliche Tiefenscan erfolgt durch
entweder eine kontinuierliche Relativbewegung zwischen Messobjekt und der Streifcn- Triangulationsanordnung
oder eine kontinuierliche Relativbewegung zwischen Messobjekt und der Schärfeebene mindestens eines Gitterbildes im Objektraum
oder es eine wird kontinuierliche Variation der Brechkraft im Projektionsstrahlengang durchgeführt.
Im kontinuierlichen Tiefenscan wird das feste Liniengitter 27 mit einer Periode p mit mindestens einer Lichtquelle beleuchtet oder dieses Liniengitter ist ein Selbstleuchter. Dieses Liniengitter ist aus der Normallage in Bezug auf die Triangulationsbasis um den Winkel psi verdreht, der von 10A° bis 80° beträgt, und diesem festen Liniengitter sind rechnersteuerbare Drehmittel 92 zugeordnet.
So ist die effektive Gitterperiode p_eff der Streifen-Triangulationsanordnung vorbestimmt gesteuert durch eine Drehbewegung zumindest etwas veränderbar und so bestehen zeitlich nacheinander mindestens zwei unterschiedliche Gitterperiode p_eff in der Streifen - Triangulationsanordnung, welche die beiden Beziehungen p_eff_2 > 1,01 * p._eff_l und p_eff_2 < 10* p_eff_l erfüllen.
So ist ein strukturiert beleuchtetes Messobjekt gegeben und dieses Messobjekt wird unter Nutzung des Detektionsstrahlenganges von einem gerasterten Lichtdetektor 73 detektiert und im kontinuierlichen Tiefenscan wird eine Folge von Bildern des strukturiert beleuchteten Messobjekts aufgenommen. So wird ein Bilderstapel in einer ersten Drehstellung aufgenommen und aus dem Bilderstapel wird durch Auslesen des gerasterten Detektors ein Wavclcts Wl der Wavelet-Periode pw 1 und erzeugt, wobei das Wavelet Wl mit p eff_ 1 korrespondiert.
Für jede Drehstellung des Liniengitters 27 - bevorzugt zwei Drehstellungen - wird ein Bilderstapel aufgenommen und aus den Bilderstapeln je ein Wavelet Wl und W2 mit der Wavelet-Periode pw l und pw 2 erzeugt. Wenn schnell gemessen werden soll, beispielsweise mit einer lOOHz-Kamera, ist es schwierig zwischen jedem Kamera-Bildaufnahme die Drehbewegung für das Liniengitter auszuführen. So erfolgt vorzugsweise im Hinlauf des kontinuierlichen Tiefenscans die Aufnahme der Bilddaten für ein erstes Wavelet für jeden Pixel des gerasterten Detektors, wobei sich das Liniengitter in einer ersten Drehposition befindet. Nach dem erstem kontinuierlichen Tiefen scan wird die Drehung des Liniengitters durchgeführt und der kontinuierliche Tiefenscan rückwärts ausgeführt, so dass ein zweites Wavelet für jeden Pixel aus dem aufgenommenen zweiten Bilderstapel erzeugt werden kann.
Es werden vorzugsweise nur genau zwei Dreh-Stellungen eines Liniengitters verwendet, da bei dem Ansatz mit Wavelet-Erzeugung durch Tiefenscan keine diskrete Phasen-Schiebung am Liniengitter stattfinden muss, da ja im Tiefenscan Wavelets erzeugt werden, welche die benötigten Phaseninformationen liefern. Insbesondere wird hierbei ein Liniengitter mit der Gitterperiode p eingesetzt, das signifikant aus der Normallage, nämlich 90° zur Triangulationsbasis, um den Drehwinkei psi, z.B. im Uhrzeigersinn herausgedreht wird. So ergibt sich für die erste Drehposition des Liniengitters ein erster Drehwinkel von beispielsweise psi 1 gleich 40°. So ist die effektive Gitterperiode um l/cos40° gegenüber der Normal läge auf p_l=p/cos40° vergrößert. Es wird mit diesem Liniengitter ein erster Tiefenscan durchgeführt und ein erster Bilderstapel aufgenommen, aus welchem sich für jeden Pixel das Wavelet Wl ergibt. Nach diesem Tiefenscan wird das Liniengitter etwas weiter gedreht, beispielsweise um den Winkelbetrag von 10°, so dass sich ein zweiter Winkel alpha_2 gegenüber der Normallage nun zu 50° einstellt. So ergibt sich eine andere effektive Periode des Liniengitters, die dann p_2_f=p/cos50° beträgt.
So kann eine erste feine Gitterperiode p_l und anschließend eine zweite Gitterperiode p_2_f erzeugt werden und das oben beschriebene Verfahren angewendet werden, indem nun ein zweiter Tiefenscan mit der Stellung des drehbaren Liniengitters von psi 50°, vorzugsweise im Rücklauf des Scans durchgeführt wird und ein zweiter Bilderstapel aufgenommen wird, aus welchem sich für jeden Pixel das Wavelet W2 ergibt, das nun etwas im Vergleich zum ersten
Wavelet Wl in diesem beschriebenen Fall etwas gedehnt ist. Es ist von Vorteil, wenn Winkel- Kombinationen genutzt werden, bei denen der Quotient cos(psi 1 )/ cos(psi 2) sich zwischen 1 ,1 bis 1 ,5 bewegt. Ein Quotient im Bereich von 1 , 15 bis 1 ,33 stellt hierbei ein Optimum dar. Dabei gilt, dass die erste effektive Gitterperiode p_ l hier immer die kleinere der beiden Gitterperioden darstellt. Beispiel 4-1
Die beiden Positionen mit den Drehwinkeln psi l und psi 2 können durch mechanische Anschläge mit Magnetkraft im Sinne einer bistabilen, robusten mechanischen Konstruktion mit Drehlagerung - zumindest im Teilbereich des Vollkreises - hochgenau realisiert werden. Die mechanischen Anschläge für je eine Drehposition können hochgenaue, robuste mechanische Anschläge sein. Der Dreh versteller kann deshalb in seiner Stellbewegung ungenau sein, aber muss so viel Spiel besitzen, dass das hochgenaue Erreichen der Anschlagsposition nicht behindert wird. Der Anschlag kann bevorzugt durch Magnetkraft gesichert werden. Der Drehversteller muss dann etwas beim Starten gegen die Magnetkraft arbeiten.
Zu dieser Konstruktion mit Drehlagerung gehört beispielsweise ein steuerbarer Antrieb, an den keine Genauigkeitsforderungen gestellt werden müssen, da dieser nur mit etwas Lose das Drehen möglichst schnell durchführt. Das Anlegen an die endgültige Position erfolgt mittels Magnetkraft. Die beiden Drehwinkel-Positionen sollen möglichst genau reproduzierbar für die Zeit zwischen zwei Kalibrierungen gesichert werden.
Beispiel 5
Grundsätzlich ist es gemäß dem Ansatz, zwei Wavelets zu erzeugen, auch möglich, mit zwei Liniengittern unterschiedlicher Gitterperiode in einer Triangulationsanordnung mit kontinuierlichem Tiefenscan zu arbeiten und diese Liniengitter in zwei Messzyklen zu benutzen, also nacheinander mechanisch in den Strahlengang einzuschieben. So kann beim kontinuierlichen Tiefenscan im Hin lauf mit dem feineren Liniengitter und im Rücklauf mit dem etwas gröberen Liniengitter oder auch mit einem groben Liniengitter - im Vergleich zum feinen gemessen werden. Der Wechsel der Liniengitter erfolgt nach dem Hinlauf.
Beispiel 6
Das Beispiel 6 betrifft eine weitere Anordnung zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen- Triangulation mit internem Tiefenscan mit strukturierter Beleuchtung und mit Wavelet-Signal- Erzeugung, insbesondere auch für die 3 D-Gestaltmessung in Mikroskopie und Mesoskopie, mit einer Streifen-Triangulation- Anordnung zur strukturierten Beleuchtung. Beispielhafte Ausführungen der Anordnung gemäß dem Beispiel 6 sind in den Figuren 14, 1 5a, 16a, 16b, 16c, 16d, 16e, 16f, 16g, 17, 18, 25 gezeigt. Die Wavelet-Signal-Erzeugung kann die Erzeugung eines oder mehrerer Wavelets umfassen. Es gibt mindestens ein Messobjekt 6, 61, 62, 63, welches somit strukturiert beleuchtet wird.
Die Streifen -Triangulation- Anordnung ist
mit einem Proj ektionsstrahlengang mit einer Blende 51,
mit einem vom Proj ekti on sstrahl engang getrennten Detektionsstrahlengang, mit mindestens einem gerasterten Lichtdetektor 73 mit Pixeln,
mindestens einem Rechnersystem 17 mit Steuerungs- und Auswerteprogrammen und mit rechnersteuerbaren Bewegungsmitteln 81 zum internen kontinuierlichen Tiefenscan ausgebildet. Hierbei erfolgt die Bewegung mindestens eines beleuchteten Liniengitters 21 , 22, 25, 26, um den Tiefenscan als internen Scan durchzuführen.
Mindestens zwei Planspiegelflächen 491, 492, 441, 442, 451, 542, 471. 472 sind zwecks Strahlurnlenkung in der Triangulationsanordnung - auf dem optischen Pfad vom Liniengitter 21, 22, 25, 26 zum Messobjekt 6, 61, 62, 63 und vom Messobjekt zum gerasterten Detektor 73 - angeordnet und die Differenz der Anzahl der Reflexionen an Planspiegelflächen im Projektions- und im Detektionsstrahlengang ist null oder geradzahlig.
Die Anzahl der Reflexionen kann dabei im inneren Strahlengang (Strahlengang zwischen Objekt und Liniengitter, beziehungsweise zwischen Objekt und gerastertem Detektor) sowohl im Projektions- als auch im Detektionsstrahlengang eins betragen. Die Anzahl der Reflexionen kann weiterhin aber auch sowohl im Projektions- als auch im Detektionsstrahlengang zwei betragen. Bevorzugt beträgt die Anzahl der Reflexionen im Projektionsstrahlengang zwei und im Detektionsstrahlengang null, da sich dann für den Detektionsstrahlengang die bekannte einfache Geradeaus-Konstruktion ergibt.
Die rechnersteuerbaren Bewegungsmittel sind mittels Translationsschlitten 81 ausgebildet, der sowohl den gerasterten Lichtdetektor 73 als auch mindestens ein beleuchtetes Liniengitter 21 trägt. Somit sind der gerasterte Lichtdetektor 73 und mindestens ein beleuchtetes Liniengitter 21 mit dem Translationsschlitten 81 starr gekoppelt. Bevorzugt beträgt hier der Triangulationswinkel 45° und der Projektionsstrahlengang und der Detektionsstrahlengang sind bevorzugt mittels beidseitig telezentrischen Abbildungsstufen ausgebildet. Dabei wird die Bewegungsstrecke des Liniengitters bei Telezentrie im Objektraum so abgebildet, dass deren Bild im Objektraum parallel zur Bewegungsstrecke des gerasterten Detektors liegt, dessen Abbildung im Objektraum ebenfalls telezentrisch erfolgt. Um eine Bewegungsstrecke festzulegen, genügt es, ein Element des Liniengitters oder ein Pixel des gerasterten Detektors zu betrachten. Vorzugsweise ist die Bewegungsstrecke des gerasterten Detektors parallel zur optischen Achse des Detektionsobjektivs ausgerichtet und die Schärfeflächen für das Liniengitterbild und das rückabgebildete Detcktorbild fallen im Objektraum zusammen. Dies ermöglicht das Delektieren eines Objektpunktes durch dasselbe Pixel im Tiefenscan. Diese so gestaltete Triangulationsanordnung weist nun gegenüber Führungsfehlem quer zur Verschiebungsrichtung des Translationsschlittens eine Unempfindlichkeit hinsichtlich der Phase an achssenkrechten Objektbereichen auf, da sich das Bild eines Gilterelements und ein Pixelbild sich gleichsinnig bewegen. Jedoch ist zu beachten, dass bei Führungsfehlern quer zur Verschiebungsrichtung die Pixelbilder auf dem Messobjekt eine andere laterale Lage einnehmen. Dies führt bei großen Gradienten des Messobjekts dennoch zu erheblichen Messfehlern. In diesem Fall wird vom Pixel durch die unerwünschte laterale Bewegung des Pixelbildes im Scan eine etwas andere Höhe oder Tiefe erfasst. Somit ist die Anordnung eines Winkelspiegels eines Winkel Spiegel -Prismas oder eines Pentaprismas zur Strahlumlenkung sinnvoll, da Messfehler bei Führungsfehlern quer zur Verschiebungsrichtung in der Tendenz geringer werden.
Beispiel 6-1
Bevorzugt ist in der Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach dem Beispiel 6 ein Winkelspiegel 491 , 492, 44, 45, 47 oder ein Winkelspiegel-Prisma 448, 458, 413 433, 423. 4131, 4132 zur Strahlumlenkung im Projektions- oder im Detektionsstrahlengang angeordnet. So sind in jedem Fall im Detektionsstrahlengang zwei Reflexionen an Planspiegelflächen gegeben und im Pr j ektionsstrah ! engang gibt es keine oder ebenfalls zwei Reflexionen an Planspiegelflächen.
Beispiel 6-2
Bevorzugt ist das Winkelspiegel-Prisma als ein Pentaprisma 413, 423, 4131, 4132 oder der
Winkelspiegel als ein 45°-Winkelspiegel in Luft 44, 45, 472 ausgebildet, wodurch sich eine 9ü°-Strahlumlenkung ergibt. Beispiel 6-3
Bevorzugt beträgt in der Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der Beispiele 6 bis 6-2 der Triangulationswinkel 45° und der Projektionsstrahlengang und der Detektionsstrahlengang sind bevorzugt mittels beidseitig telezentrischcn Abbildungsstufen ausgebildet. Der Abbildungsmaßstab der beiden Abbildungsstufen weist den Betrag 1 auf.
Weiterhin gibt es vorzugsweise genau eine Reflexion mit Strahlumlenkung im Projektions- und genau eine im Detektionsstrahlengang. Dazu sind jeweils je eine Planspiegelfläche 417 im Projektions- und genau eine Planspiegelfläche im Detektionsstrahlengang angeordnet.
Bjejsriiel 6-4
Weiterhin beträgt in der Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der Beispiele 6 bis 6-3 der Triangulationswinkcl beta P bevorzugt 45° und die Ebenen der beiden Liniengitter und die Ebene des gerasterten Detektors sind parallel zueinander ausgerichtet und die Translationsachse TA ist senkrecht zur Ebene des gerasterten Detektors angeordnet. Somit sind Dctcktionshauptstrahl und Translationsachse TA parallel ausgerichtet. Der Proj ektionshauptstrah 1 und die Translationsachse sind 45°zueinander ausgerichtet und es findet keine oder es finden zwei Reflexionen im Proj ektions-snahl engang - vom Liniengitter zum Messobjekt betrachtet - und genau zwei Reflexionen im Detektionsstrahlengang - vom Messobjekt zum gerasterten Detektor betrachtet - statt. Dabei steht die optische Achse (ADO) des Detektions-Strahlenganges bevorzugt senkrecht auf der zusammenfallenden Brennebene des Projektions- und des Detektionsstrahlengangcs (F PD) Objektraum. Varianten dieser
Ausführungsform sind z.B. in den Figuren 13, 14 und 25 gezeigt.
Beispiel 6-5
Vorzugsweise ist in der Streifen-Triangulationsanordnung nach einem der Beispiele 6 bis 6-4 im Projektionsstrahlengang oder im Detekti onsstrah 1 engang die telezentrische Blende als steuerbarer räumlicher Lichtmodulator, bevorzugt als Flüssigkristall-Display (LCD), ausgebildet.
Beispiel 6-6
Weiterhin ist in der Streifen-Triangulationsanordnung nach einem der Beispiele 6 bis 6-5 der steuerbare räumliche Lichtmodulator vorzugsweise als ferro-elektrischer Flüssigkristall ausgebildet, der das Zentrum der Blendenöffnung im Kilohertz-Bereich lateral verschieben kann. So kann die effektive Triangulationswellenlänge zwischen den Aufnahmen einzelner Kamerabilder sprunghaft verändert werden und so ein Bilderstapel erzeugt werden, aus dem zwei Wavelets mit unterschiedlicher Periode ineinander verschachtelt generiert werden können, wie z.B. in Fig. 25 gezeigt.
Beispiele 7-x
Um die spezielle Aufgabe zu lösen, dass nur ein einziges Translationssystem für Projektionsstrahlengang und auch Detektionsstrahlengang angeordnet ist und die Schärfeebenen im gesamten Tiefenscan in Koinzidenz bleiben, also stets zusammenfallen, werden die Anordnungen gemäß den nachfolgenden Beispielen 7-x) vorgeschlagen. Bevorzugt können diese Anordnungen in einem Verfahren mit kontinuierlichem Tiefenscan eingesetzt werden. Aber auch bei einem Verfahren mit einem schrittweisen Tiefenscan sind diese Anordnungen mit Vorteil anzuwenden. Weiterhin können diese Anordnungen (R l und R2 und R5) in auch einem Verfahren mit Wavelet-Erzeugung mit Vorteil eingesetzt werden. Dabei können ein oder mehrere Wavelets erzeugt werden.
Beispiel 7-1 Das Beispiel 7-1 betrifft eine Anordnung zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen- Triangulation mit Wavelet-Signal-Erzeugung zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit einem internen Tiefenscan. Beispielhafte Ausführungen der Anordnung gemäß dem Beispiel 7- 1 sind in den Figuren 13, 14, 15a, 15b, 16a, 16c, 16d, 16e, 16f und 31 gezeigt.
Die Anordnung ist:
mit mindestens einem Projektionsstrahlengang und
mit mindestens einem vom Proj ektionsstrahlengang getrennten Detektionsstrahl engang, zwischen denen der Triangulationswinkel beta besteht und
- mindestens einem Liniengitter und
- mindestens einem gerasterten Detektor und
einem rechnersteuerbaren Translationssystem, welches dem Liniengitter und dem gerasterten Detektor zugeordnet ist.
Es sind mindestens zwei Planspiegelflächen in Form einer Winkelspiegelanordnung 491 , 492 im Projektionsstrahlengang angeordnet und der Gesamt-Ablenkwinkel delta der Winkelspiegelanordnung 491 , 492 im Projektionsstrahlengang ·- betrachtet vom Liniengitter zum Messobjekt - weist den doppelten Winkelbetrag des Triangulationswinkels beta auf und sowohl mindestens das eine Liniengitter als auch der mindestens der eine gerasterte Detektor sind dem Translationssystem zwecks Tiefenscan starr zugeordnet. Sowohl Projektionsstrahlengang als auch Dctektionsstrahlengang weisen den Betrag des Abbildungsmaßstabes eins auf. Beispiel 7-2
Das Beispiel 7-2 betrifft eine Anordnung zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen- Triangulation mit Wavelet-Signal-Erzeugung zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit einem internen Tiefenscan. Beispielhafte Ausführungen der Anordnung gemäß dem Beispiel 7-2 sind in den Figuren 17 und 18 gezeigt.
Die Anordnung ist wie folgt aufgebaut:
mit mindestens einem Projektionsstrahlengang, und - mit mindestens einem vom Projektionsstrahlengang getrennten Detektionsstrahlengang, zwischen denen der Triangulationswinkel beta besteht, und
mindestens einem Liniengitter 21 , und
mindestens einem gerasterten Detektor 71, 73, und
- einem rechnersteuerbaren Translationssystem 81 , welches dem Liniengitter 21 und dem gerasterten Detektor71 , 73 zugeordnet ist.
Mindestens zwei Planspiegelflächen in Form eines 90°-Winkelspiegels oder Pentaprismas 4131 , 4132 sind im Projektionsstrahlengang angeordnet. Der Abbildungsmaßstab vom Objektraum in den Array-Raum ist gleich dem Quadrat des Tangens des Triangulationswinkels beta P gewählt und sowohl mindestens das eine Liniengitter als auch der mindestens der gerasterte Detektor sind dem Translationssystem zwecks Tiefenscan starr zugeordnet.
Beispiel 7-3
Bevorzugt sind für die Anordnungen nach dem Beispiel 7-1 und dem Beispiel 7-2 zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen-Triangulation zwei Projektionsstrahlengänge angeordnet. Beispiel 7-4
Bevorzugt sind für die Anordnungen nach einem der Beispiele 7-1 bis 7-3 die beiden Projektionsstrahlengänge symmetrisch zur optischen Achse des Detektionsstrahlenganges angeordnet.
Beispiel 7-5
Das Beispiel 7-5 betrifft eine weitere Anordnung zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen- Triangulation zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit einem internen Tiefenscan. Beispielhafte Ausführungen der Anordnung gemäß dem Beispiel 7-5 sind in den Figuren 16e, 16f und 16g gezeigt.
Die Anordnung ist wie folgt aufgebaut:
- mit mindestens einem Projektionsstrahlengang und mit mindestens einem vom Projektionsstrahlengang getrennten Detektionsstrahlengang, zwischen denen der Triangulationswinkel beta besteht und
mindestens einem Liniengitter 21 und
mindestens einem gerasterten Detektor 71 , 73 und
- einem rechnersteuerbaren Translationssystem, welches dem Liniengitter und dem gerasterten Detektor zugeordnet ist.
Mindestens zwei Planspiegelflächen sind im Detektionsstrahlengang in Form einer Winkelspiegelanordnung 491 angeordnet und der Gesamt-Ablenkwi nkel delta der Winkelspiegelanordnung im Detektionsstrahlengang weist den doppelten Winkelbetrag des Triangulationswinkeis beta auf und die Translationsachse TA stellt die Winkelhalbierende zur optischen Achse des Proj ekti on sstrah I enganges am Liniengitter (APA) und zur optischen Achse des Detektionsstr ahlenganges am gerasterten Detektor (ADA) dar. Sowohl das mindestens eine Liniengitter als auch der mindestens der eine gerasterte Detektor sind dem Translationssystem 81 zwecks Tiefenscan starr zugeordnet. Der Betrag des Abbildungsmaßstabes von Projektionsstrahlengang und Detektionsstrahlengang weist den Betrag ungleich oder gleich eins auf.
Hier gibt es vorzugsweise eine digitale Pixelnachführung bei der Bildauswertung, so dass ein virtuelles Pixel besteht, da sich das Bild über den gerasterten Detektor im Tiefenscan lateral bewegt. Dabei wird die Bildaufnahme so vorgenommen, dass ein Bild aufgenommen wird, wenn sich das Bild um genau einen Pixel-Pitch oder exakt mehrere Pixel -Pitches weiter bewegt hat. Beispiel 7-6
Weiterhin ist bei der Anordnung zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der Beispiele 7-1 bis 7-5 die Differen der Planspiegelflächen zwischen Proj cktionsstrahlengang und Detektionsstrahlengang - betrachtet vom Liniengitter 21 zum Messobjekt 6, 61 , 62, 63 und vom Messobjekt 6, 61, 62, 63 zum gerasterten Detektor - null oder geradzahlig, wobei mindestens zwei Planspiegelflächen im inneren Strahlengangangeordnet sind. Bevorzugt kann auch hier der Ansatz mit der Erzeugung eines Wavclet-Signals zur Anwendung kommen. 54
In einem anderen Ausfuhrungsbeispiel der obigen Anordnung kann das Liniengitter auch durch einen räumlichen Lichtmodulator dargestellt werden. Beispiel 7-7
Weiterhin sind bei der Anordnung zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der Beispiele 7-5 und 7-6 zwei Detektionsstrah 1 engän ge angeordnet. Beispiel 7-8
Weiterhin sind bei der Anordnung zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der Beispiele 7-5 bis 7-7 die beiden Detektionsstrahlengänge symmetrisch zur optischen Achse des Projektionsstrahlenganges angeordnet.
Beispiel 7-9
Weiterhin sind bei der obigen Anordnung zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen- Triangulation nach einem der Beispiele 7-1 bis 7-8 sowohl der Projektionsstrahlengang oder die Projektionsstrahlengänge als auch der Detektion sstrahlengang oder die Detektionsstrahlengänge beidseitig telezentrisch mit jeweils einer telezentrischen Blende ausgebildet.
Beispiel 7-9
Weiterhin ist bei der obigen Anordnung zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen- Triangulation nach einem der Beispiele 7-1 bis 7-9 das Liniengitter als räumlicher Lichtmodulator ausgebildet. Beispiele 8-x betreffen Anordnungen zur Tiefenscannenden Streifen-Triangulation zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit einem internen Tiefenscan. Dabei ist die Erzeugung eines oder mehrere Wavelets nicht zwingend erforderlich, die Anordnungen können ebenfalls zur Tiefenscannenden Streifen-Triangulation zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit einem internen Tiefenscan ohne Wavel et-Erzcugung eingesetzt werden.
Beispielhafte Ausführungen der Anordnung gemäß den Beispielen 8-x sind in den Figuren 28 und 29 (Beispiel 8-1) und in Figur 30 (Beispiel 8-2) gezeigt. Beispiel 8-1
Das Beispiel 8-1 betrifft eine Anordnung zur Tiefenscannenden Streifen-Triangulation zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit einem internen Tiefen sc an, umfassend:
mindestens einen Projektionsstrahlengang, der beidseitig telezentrisch ausgebildet ist, mindestens einen räumlichen Lichtmodulator 23, vorzugsweise als Flüssigkristall
Display oder Mikrospiegel-Array ausgebildet,
eine Lichtquelle 1 3, und
mindestens einen vom Projektionsstrahlengang getrennten Detektionsstrahlengang, der beidseitig telezentrisch ausgebildet ist, mit einem Betrag des Abbildungsmaßstabes beta strich kleiner gleich 5.
Es besteht ein Triangulationswinkel beta zwischen dem Projektions- und dem Detektionsstrahlengang im Objektraum. Die Anordnung umfasst ferner einen rechnersteuerbaren Translationssystem 81 zum internen kontinuierlichen Tiefenscan, mindestens einen gerasterten Detektor 73 zur Bildaufnahme des strukturiert beleuchteten Objekts, und ein Rechnersystem 81 mit Stcuerungs- und Auswerteprogrammen.
Der räumliche Lichtmodulator und der gerasterte Detektor sind dem rechnersteuerbaren Translationssystem zum internen kontinuierlichen Tiefenscan starr zugeordnet. Der Betrag des Abbildungsmaßstabes im Projektionsstrahlengang (beta_strich_P) und im Detektionsstrahlengang (beta strieh D) genügt stets - bei Betrachtung der Lateral-Größe (y- Koordinate) im Array-Raum zur Lateral-Größe (y-Koordinate) im Objektraum - zumindest näherungsweise der Beziehung beta strich_ D=beta_strich_P *[ Wurzel von cos(beta)J. (2.1 ) Bei Einhaltung dieser Beziehung bleiben die Schärfeebenen im gesamten Tiefenscan im Abstand unverändert und bei entsprechender l iefen- Justierung der Strahlengänge auch gekoppelt. Ferner ist mindestens ein Winkelspiegel 44, 45 mit zwei Planspiegelflächen 441 , 442, 451 , 452 im Detektionsstrahlengang angeordnet und der Projektionsstrahlengang ist ungefaltet oder weist mindestens ein Planspiegelpaar auf. Bevorzugt ist der Projektionsstrahlengang in Geradeaus- Bauweise ausgebildet. Die optische Achse des Projektionsstrahlenganges (APA) und die optische Achse des Detektionsstrahlengang (APO) sind im Array-Raum Parallelen und der Projektionsstrahlengang steht senkrecht auf der Schärfefläche F PD. Der räumliche Lichtmodulator und der gerasterte Detektor werden gemeinsam in der Tiefe bewegt. Der räumliche Lichtmodulator steht also senkrecht zur optischen Achse und die
Flächennormale des gerasterten Detektors schließt mit der optische Achse des
Detektionsstrahlenganges (ADA) einen Winkel mit dem Betrag kappa_D (kappa Dl , kappa D2) zumindest näherungsweise von kappa D-Betrag {aretan[beta_strich_D*tan(beta)] } (3.1) ein.
Damit ist die Scheimpflug-Bedingung eingehalten und die Schärfeebenen von Projektionsstrahlengang und Detcktionsslrahlengang liegen bei beidseitig telezcntrischem Projektionsstrahlengang und Detekti onsstrahlengang stets parallel. Durch Einhalten der Gleichung 2.1 fallen die Schärfeflächen - bei entsprechender einmaliger Justierung - im Objektraum im gesamten Tiefenscan stets zusammen. Beispiel 8-2
Bevorzugt ist der Projektionsstrahlengang in einer Triangulationsanordnung mit kontinuierlichem Tiefenscan nach dem Beispiel 8 mittig angeordnet und ist von mindestens zwei Detektionsstrahlengängen umgeben.
Beispiel 8-3
Das Beispiel 8-3 betrifft eine Anordnung zur Tiefenscannenden Streifen-Triangulation zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts 6, 61 , 62, 62 mit einem internen Tiefenscan, umfassend:
mindestens einen Projektionsstrahlengang, der beidseitig telezentrisch ausgebildet ist, mindestens einen räumlichen Lichtmodulator 23, vorzugsweise als Flüssigkristall- Display oder Mikrospiegel-Array ausgebildet,
eine Lichtquelle 1 13,
mindestens einen vom Projektionsstrahlengang getrennten Detektionsstrahlengang, der beidseitig telezentrisch ausgebildet ist, mit einem Betrag des A bbi Idungsmaßstabes beta_strich kleiner gleich 5.
Es besteht ein Triangulationswinkel beta zwischen dem Projektions- und dem Detektionsstrahlengang im Objektraum.
Ferner um asst die Anordnung:
einen rechnersteuerbaren 81 Translationssystem zum internen kontinuierlichen Tiefenscan und
mindestens einen gerasterten Detektor 73 zur Bildaufnahme des strukturiert beleuchteten Objekts, und
mindestens ein Rechnersystem 17 mit Steuerungs- und Auswerteprogrammen.
Der räumliche Lichtmodulator 23 und der gerasterte Detektor 73 sind dem rechnersteuerbaren Translationssystem 81 zum internen kontinuierlichen Tiefenscan starr zugeordnet. Der Betrag des A bbi Idungsmaßstabes im Projektionsstrahlengang (beta strich_P) und im
Detektionsstrahlengang (beta strich D) genügt stets - bei Betrachtung der Lateral-Größe (y- Koordinate) im Array-Raum zur Lateral -Größe (y-Koordinate) im Objektraum - zumindest näherungsweise der Beziehung: beta_strich_P=beta_strich D *[Wurzel von eos(beta)]. (2.2)
Bei Einhaltung dieser Beziehung bleiben die Schärfeebenen im gesamten Tiefenscan im Abstand unverändert und bei entsprechender Tiefen-Justierung der Strahlengänge auch gekoppelt. Mindestens ein Winkelspiegel 47 mit zwei Planspiegelflächen 471 , 472 ist im Projektions- strahlengang angeordnet oder mehrere Planspiegelpaare sind im Projektionsstrahlengang angeordnet und der Detektionsstrahlengang ist ungefaltet. Die optische Achse des Projektionsstrahlenganges (APA) und die optische Achse des Detektionsstrahlengang (APO) im Array-Raum sind Parallelen. Der Dctektionsstrahl engang steht senkrecht auf der Schärfefläche F PD, der räumliche Lichtmodulator steht geneigt zur optischen Achse und die Flächennormale des räumlichen Lichtmodulators schließt mit der optische Achse des Projektionsstrahlenganges (APA) einen Winkel mit dem Betrag kappa P zumindest näherungsweise von kappa_P=Betrag {arctan[bcta_strich_P*tan(beta)] } (3.2) ein.
Damit ist die Scheimpflug-Bedingung eingehalten und die Schärfeebenen von Projektionsstrahlengang und Detektionsstrahlengang liegen bei beidseitig telezentrischem Projektionsstrah 1 engang und Detektionsstrahlengang stets parallel. Durch Einhalten der Gleichung 2.2 fallen die Schärfeflächen - bei entsprechender einmaliger Justierung - im Objektraum im gesamten Tiefenscan stets zusammen. Beisj2ieL8.-4 Bevorzugt ist der Detektionsstrahlengang in einer Triangulationsanordnung mit kontinuierlichem Tiefenscan nach dem Bespiel 8-3 mittig angeordnet und ist von mindestens zwei Projektionsstrahlengängen umgeben. Zum Prinzip des Verfahrensansatzes mit Wavelet-Generieruna
Während des kontinuierlichen Tiefenscans wird bei strukturierter Beleuchtung des Objekts kontinuierlich ein Bilderstapel mit mindestens einem Chip eines gerasterten Empfängers aufgenommen. Dabei wird entweder alternierend die Größe von zwei unterschiedlichen Triangulationswellenlängen mit den Perioden lambda T l und lambda T 2 sprunghaft geändert, wobei das strukturierte Licht dabei aus derselben Projektionsoptik kommt. Oder, z.B. durch spektrale Trennung bestehen beide Triangulationswellenlängen mit den Perioden lambda_T_l und lambda_T_2 gleichzeitig. In der Regel wird dabei keine zusätzliche Phasenschiebung eingeführt. Die Bilder des beleuchteten Objekts können dabei in einem einzigen Bilderstapel abgelegt, wenn die Bildaufnahme mittels eines einzigen Kamera -Chips erfolgt. Bei spektraler Trennung kann auch eine Zwei- oder Drei-Chip-Kamera eingesetzt werden und es gibt mehrere Bilderstapel.
Es ist also möglich, dass in zwei Teilsstrahlengängen, deren zugeordnete Lichtquelle jeweils ein anderes Farbspektrum aufweist, unterschiedliche Triangulationswellenlängen lambda T 1 und lambda_T_2 gleichzeitig bestehen, indem zwei Liniengitter unterschiedlicher Gitterperiode von Licht mit jeweils unterschiedlichem Farbspektrum beleuchtet werden. So können zwei Wavelets mit unterschiedlicher Periode beziehungsweise unterschiedlicher Ortsfrequenz gleichzeitig erzeugt werden. Die Periode beziehungsweise Ortsfrequenz der Wavelets ergibt sich entsprechend der Größe der zugehörigen Triangulationswellenlängen, resultierend aus der Geometrie der Anordnung mit dem jeweiligen Triangulationswinkel und der in der Schärfeebene des Objektraumes bestehenden Streifenperiode.
Vorzugsweise wird ein zusätzlicher (schmaler als die volle Breite des Wavelets FW_00) und zuverlässig nutzbarer Eindeutigkeitsbereich (in Mikrometer) F.DB geschaffen.
Typisch soll der jedoch der Eindeutigkeitsbereich maximal nur das 0,5fache der Ausdehnung von FW_00 (p_ l) für das erste feine Liniengitter betragen. Sehr nützlich wird der Ansatz bei n_FW_00 > 10, also mehr als zehn Perioden unter der Einhüllenden, da Wavelets von realen Liniengittern oft auch etwas asymmetrisch sind. Da ist
Unterstützung der center of Gravity- Auswertung der Kontrast-Einhüllenden durch Phasenbeziehungen zweier Liniengitter in Schwebung sehr vorteilhaft.
Ein Perioden- Verhältnis von 6:7 oder 7:8 ist hierbei gut für eine Schwebung, da Periodenlängen noch etwa gleich sind und somit beide Signal verlaufe durch Mittelung zur Verringerung der Messunsicherheit beitragen können. Die Ergebnisse des Signals mit der etwas gröberen Periode sind praktisch aufgrund bekannter Erfahrungen nicht oder kaum mit größerer Messunsicherheit beha tet als die der kürzeren. Beim oben genannten Perioden- Verhältnis ist die Schwebungswellenlänge bereits groß genug, um 2Pi-Sprung- Fehler weitestgehend zu vermeiden. Für die in der Anmeldeschrift beschriebenen Ansätze mit Tiefenscan soll gelten, dass im Raum, wo ein Tiefenscannen durchgeführt wird, stets ein telezentrischer Strahlengang besteht.
Streifentriangulation mit insbesondere kontinuierlichem Tiefenscan, lässt Wavelets mit einer dominierenden Frequenz entstehen. Somit sind für die Phasenauswertung Lock-in- Ansätze [4], [5] favorisiert, da diese Frequenz vorab bekannt und in der Regel hochstabil ist.
Zum Prinzip des Tiefcnscan-Ansatzes
Anordnungen mit einem externen kontinuierlichen Tiefenscan stellen hinsichtlich Messunsicherheit grundsätzlich das bessere Messverfahren dar, da die Optiken im Objektraum nur in einem recht eng begrenzten Tiefenbercich um die Fokusebene arbeiten. Das entspannt die Forderungen an die Korrektur der Optiken hinsichtlich Aberrationen - wie Verzeichnungen - in der Tiefe ganz wesentlich, da die Telczcntrie und die Verzeichnisfreiheit nur in einem kleinen Tiefenbereich zu gewährleisten sind. Dies ist ein Vorteil beim externen Tiefenscan im Vergleich zu einem internen Scan und gleichem Tiefenmessbereich. Es muss jedoch auch beim externen Tiefenscan eine sehr präzise Relativbewegung zwischen Messobjekt und Messanordnung generiert werden. Erhebliche technische Herausforderungen findet dieser Ansatz mit einem externen Tiefenscan, wenn vergleichsweise große Objekte gemessen werden sollen, beispielsweise mit lateralen Ausdehnungen oberhalb 50mm. Dann muss eine vergleichsweise große optische Anordnung in der Tiefe präzise bewegt werden.
Anordnungen mit einem internen kontinuierlichen Tiefenscan sind im Besonderen für größere Messobjekte wie feine Details an Autom obi 1 - Motorbl öcke geeignet, bei denen auch größere Messvolumina mit Messtiefen deutlich größer als 5mm auftreten. In dieser Situation ist das Messobjekt mit großer Masse nur schwer in der Tiefe präzise zu bewegen. Bei einem Tiefenmessbereich oberhalb von 5mm weist aber auch das optische Messgerät wegen der in der Regel dann dabei einzusetzenden Optiken mit großen Brennweiten - meist dann schon mit Brennweiten oberhalb von deutlich 50mm - ein großes oder sehr großes Bauvolumen auf. Damit besitzt auch diese Messanordnung schon eine erhebliche Masse. Deshalb ist der Ansatz mit dem internen Tiefenscan eine sehr gute Alternative, da hierbei nur ein oder zwei Liniengitter sowie der gerasterte Detektor bewegt werden müssen. Beim internen Tiefenscan werden die Optiken im Objektraum in der Regel in einer erheblichen Messtiefe um den Fokusbereich eingesetzt. Das erhöht jedoch die Forderungen an die Optiken ganz besonders hinsichtlich Korrektur in der Tiefe - wie die Sicherung von sehr geringen Telezentrie- Abweichungen in Verbindung mit einer geringen Verzeichnung in der Tiefe - ganz erheblich. Dies ist mit refraktiven Objektiven beim Stand der Technik jedoch gut beherrschbar. Dagegen wird das Optik-Design beim Einsatz von Flüssigkeitslinsen beim Stand der Technik vor erhebliche Herausforderungen gestellt, so dass hier bei hohen Anforderungen hinsichtlich Messunsicherheit nur ein vergleichsweise kleiner Tiefenmessbereich - im Vergleich zur Schiebung von Liniengittern sowie dem gerasterten Detektor jeweils mit Tiefenkomponente - ermöglicht werden kann. Prinzip der Auswertung und der Bestimmung der Tiefenposition eines Messpunktes P i mit dem Wavelet-Ansatz
In allen Anordnungen und Verfahrensansätzen gibt es stets eine Änderung der Relativlage der Schärfeebene (Schärfefläche) eines Streifenbildes zu einem jeden Messpunkt P i des in der Regel ausgedehnten Messobjekts, Die Änderung der Relativlage erfolgt durch einen Scan, der deshalb Tiefenscan genannt wird. Im Tiefenscan wird ein Bilderstapel vom Messobjekt aufgenommen. In der Umgebung des durch Rechnung aus den Objektdaten für einen Messpunkt P i bestimmten Schwerpunkts der Kontrast-Einhüllenden CE CoG O i und der durch Rechnung bestimmten beiden Objekt-Phasen phi l O i und phi_2_0 i wird für das vorliegende Objekt- Phasen-Paar (phi l O i, phi 2 0_i) die Tiefenposition durch Rechnung bestimmt wo das Objekt-Phasen-Paar (phi l O i, phi_2_0_i) am besten zum abgespeicherten Referenz- Phasen-Paar (phi 1 R_ i, phi 2 R i) einer vorab durchgeführten Referenzmessung - auch unter Berücksichtigung der Phasendifferenz (delta_ phi 12 R i mod 2Pi) des Objekt-Phasen- Duos - für den Messpunkt P i passt. Dabei kann es sich entweder um zwei Feinphasen, resultierend aus zwei feinen Gitterperioden (p_l , p_2_f), oder um eine Fein- und eine Grobphase resultierend aus einer feinen (p_l ) und einer groben Gitterperiode (p_2_g), handeln.
Einerseits ist es möglich, dass für die Feinbestimmung - also unter Nutzung der Phaseninformation - der Tiefenposition eines Messpunktes P_i nur der Wert der phi 1 O i, also nur eine Gitterperiode und in der Regel die feinere Gitterperiode, genutzt wird.
Andererseits ist es auch möglich, dass für die Feinbestimmung der Tiefenposition eines
Messpunktes P_i beide Feinphasen phi l O i und phi 2 Oi genutzt werden. Dies entspricht einer Mittelung, die vor allem dann sinnvoll ist, wenn sich die beiden feinen Gitterperioden nicht sehr unterscheiden. Damit sollte das beste Signal-Rausch-Verhältnis für die Bestimmung der Tiefenposition für einen Messpunkt P_i erreicht werden.
Es ist grundsätzlich auch möglich, einen ersten Tiefenscan mit einem ersten Liniengitter mit der Gitterperiode p_l auszuführen und in einem zweiten Tiefenscan das Liniengitter mittels einer rechnersteuerbaren Vorrichtung zum Schieben eines Trägers verschiedener Liniengitter auszutauschen und somit ein anderes Liniengitter mit einer etwas anderen Gitterperiode p_2 in den Strahlengang einzusetzen. Der zweite Tiefenscan mit dem zweiten eingeschobenen Liniengitter kann dann im Rücklauf erfolgen. Weitere Ausführung sformen. unabhängig vom verwendeten Ansatz
Es können feste Liniengitter (die Selbstleuchter sind oder von einer oder mehreren Lichtquellen beleuchtet werden), steuerbare Linien gitter (z.B. LED-Arrays) oder steuerbare räumliche Lichtmodulatoren (wie z.B. Flüssigkristailmodulatoren, Mikrospiegel-Arrays, etc.) verwendet werden. In vielen Streifenprojektions-Triangulationsanordnungen mit räumlichen Lichtmodulatoren gibt es beim Stand der Technik nur eine Projektionsstufe zur strukturierten Beleuchtung und zwei Detektionsstufen mit je einer Kamera. Bei großen Messvolumina wird viel Licht benötigt, also viel Energie benötigt und somit viel störende Wärme in einer Präzisionsanordnung erzeugt. Somit ist die Beschränkung auf eine Projektionsstufe meist sehr sinnvoll.
Bei kleinen Messvolumina wird jedoch weniger Licht benötigt und nicht so viel Wärme erzeugt, auch da eine effiziente LED-Beleuchtung für die Liniengitter möglich ist. Für diesen Fall, um den es hier geht, ist eine Streifenprojektions-Triangulationsanordnung mit einer zentralen Kamera und zwei Projektionsstufen nicht von Nachteil. Dafür kann der Aufwand in nur eine, aber dafür seiir präzise telezentrische Detektionsstule gesteckt werden. Das reduziert den Aufwand für die anspruchsvolle Kalibrierung für den Ansatz mit Tiefenscan und reduziert in der Tendenz auch die Messunsicherheit der Messung. Ein weiterer Grund für eine zentrale Kamera und 2 Projektionsstufen ist, dass nicht zwingend ein räumlicher Lichtmodulator benötigt wird, da die vorgeschlagenen Verfahren und Vorrichtungen grundsätzlich ohne einen räumlichen Lichtmodulator auskommen. Denn kostengünstige Ampi i tuden-Li n iengitter und LED-Beleuchtung reichen aus, um den hier beschriebenen Ansatz zur Streifen-Triangulation umzusetzen.
Figuren la bis 11 zeigen Triangulationsanordnungen nach dem Stand der Technik ist in den Figuren la bis I L dargestellt. Ausfuhrungsformen der Erfindung sind in Zusammenhang mit den Figuren 2 bis 33 und elf Ausführungsbeispielen ohne eigene Figur beschrieben.
Die Figuren la bis lc zeigen den aus der Druckschrift [3] bekannten Stand der Technik. Die Figur la stellt eine Triangulations-Anordnung mit einem Tiefenscan des Objekts dar. Somit handelt es sich um einen externen Tiefenscan. Ein Gitter wird lateral zur Phasenschiebung bewegt. Die Figur 1b zeigt die Kontrastfunktion bei der Gitterabbildung in unterschiedlichen Tiefen und die Figur lc die Umsetzung dieses Ansatzes mittels Stereomikroskop, wobei das Objekt hier einen schrägen Scan erfahrt, jedoch parallel zur optischen Achse der Detektionsoptik, damit das Bild auf der Kamera nicht auswandert. Die Figur Id präsentiert beispielhaft ein Stereomikroskop, welches als kompakte Einheit in der Tiefe gesteuert verschiebbar ausgebildet ist, um einen externen Tiefenscan durchzuführen, s. a.
[4] und [5], dort Figur 1. Das sich durch Messung ergebende Wavelet, veröffentlicht in [4] als Figur 7b, ist hier in der Figur l e dargestellt. Im Stereomikroskop gibt es einen vergleichsweise großen Blendendurchmesser von etwa 15 mm freier Öffnung bei einer vergleichsweise kleinen Triangulationsbasis von 24 mm, was den Abstand der Blendenzentren des Stereomikroskops darstellt und ein genutztes Objektiv mit einer Brennweite von 80mm. Figur le zeigt ein mit diesen Parametern des Stereomikroskops aufgenommenes Wavelet, welches knapp 5 volle Perioden unter der Einhüllenden aufweist. Eine so geringe Periodenzahl n FW 00 stellt für Triangulationsanordnungen somit einen Sonderfall dar, der hier nicht weiter zu betrachten ist. Die Bildverschiebung, welche aus dem Winkel zwischen der Schicbcrriehtung des Aktuators und der optischen Achse des Detektionskanals resultiert, muss numerisch korrigiert werden. Es wird dazu ein virtuelles Pixel gebildet. Dabei ist eine Parallelität zwischen der Schieberrichtung und der optischen Achse des Detektionskanals zu bevorzugen, da so ein Pixel stets denselben Objektpunkt in der Tiefe detektiert und von diesem Objektpunkt ein Wavelet liefert.
Die Figuren If und lg zeigen eine Anordnung aus DE 198 46 145 AI , siehe dort Fig. 3, mit einem internen Tiefenscan und das entstehende Signal in Form eines Wavelets mit einer Einhüllenden aus der Schrift DE 198 46 145 AI, siehe dort Fig. 2. Aufgrund der relativ dicht beieinander liegenden Blenden mit den Blendenzentren F OA und F OB - also einer kleiner Triangulationsbasis - und dazu vergleichsweise großen Blendenöffnungen treten im Wavelet in Fig. l g nur wenigen Perioden mit größerer Amplitude auf, so dass eine Signalauswertung mit Identifizierung der dominanten Periode vergleichsweise einfach ist. Die laterale Verschiebung des Kamera-Chips wird durch eine Pixelnachverfolgung im Sinne eines virtuellen Pixels herausgerechnet.
Das Einhalten der konfokalen Bedingung, also der permanenten Kopplung (optische Konjugation) von je einem Bildpunkt des Liniengitters und von je einem in den Objektraum abgebildeten Pixel - hier durch die Verschiebung des Liniengitters entlang der Gerade gA realisiert - ist beim internen Tiefenscan mit Wavelet-auswertung wichtig. Intern bedeutet, dass hier innere Komponenten der Anordnung bewegt werden. Nur beim Einhalten der konfokalen Bedingung kann jedem Pixel eine konstante und durch Referenzmessung einmalig oder mehrmalig bestimmbare Anfangsphase im Signal-Wavelet zugeordnet werden, welche langfristig abgespeichert wird, so dass ein Referenz -Datensatz von Referenz-Phasen besteht. Anders als beim kurzkohärenten Interferometer, wo bei perfekter Optik die Anfangsphase für alle Pixel null ist, ist die Anfangsphase bei einer Tiefenscannenden Anordnung mittels Liniengitter zunächst unbekannt und muss mindestens einmal durch eine Referenzmessung bestimmt und abgespeichert werden. Für die Referenzmessung wird vorteilhafterwei se eine hochebene und gut lichtstreuende helle und wegen mechanischer Stabilität auch dicke Platte benutzt, beispielsweise ähnlich wie Gips, was als ein optisch kooperatives Objekt angesehen wird. Eine hohe mechanische Langzeitstabilität der Anordnung sichert dann die Konstanz der pixelweise einmal bestimmten Anfangsphasen aus der Referenzmessung. Diese pixelweise dann bekannten Anfangsphasen sind für die pixelweise Bestimmung der Tiefenposition der Messpunkte am Objekt notwendig, die sich somit stets auf eine vorab durchgeführte Referenzmessung bezieht.
Die Anordnung in Figur lh mit einem internen Tiefenscan, entnommen aus Fig. 4 der PCT/DE00/00991 (WO 00/66972), ist bei Kenntnis der Scheimpflug-Bedingung so aufgebaut, dass die Strecken BS Oj der wandernden Bildpunkte von Gitterelementen BA beim Scan stets auf das Pupillenzentrum PZ OA des Detektorobjektivs zielen. Damit fallen diese Strecken BS Oj mit den Sichtstrahlen ABS des Detektorobjektivs (2) zusammen. Die Figur lj stellt die bei einer Objekt- und einer Referenzmessung sich ergebenden Wavelets mit Konlrast- Einhüllender dar, aus deren Verschiebung sich obj ektpunkt w ei se die Phasendifferenz delta phi Gitter in Bezug auf eine Referenzmessung ermitteln lässt. Aus dieser Phasendifferenz delta_phi_Gitter kann bei Kenntnis der Geometrie der Messanordnung und der optischen Parameter der Objektive die Tiefeninformation obj ektpunktweise ermittelt werden. Das Anordnen des Zentrums PZ OA der Blende zur Detektion im Schnittpunkt Kl der objektseitigen S cheimpfiug-G eraden führt zum konfokalen Ansatz. Dies bedeutet eine permanente Kopplung der Bildpunkte des Gitters mit den Bildpunkten von Pixeln des gerasterten Empfängers im Objektraum, also permanente Konfokalität, wenn auch der gerasterte Empfänger entsprechend synchron in der Tiefe mitbewegt wird. Dadurch bleibt die Phase am Schwerpunkt der Kontrast -Einhüllenden eines Wavelets auch in verschiedenen Tiefenpositionen eines Objektpunkts zumindest näherungsweise konstant, was für die Auswertung einen wesentlichen Vorteil darstellt. Bei einem realen System gilt dies allerdings nur in einem begrenzten Tiefenbereich, welches insbesondere von der Güte der telezentrischen Abbildung der Objektive abhängig ist, d.h., die array-scitigcn Pupillen der Objektive sollten im Unendlichen liegen.
Die Figur Ii stellt beidseitig telezentrische Abbildungsstufen zur Projektion und zur Detektion eines strukturiert beleuchteten Objekts dar. Es erfolgt ein interner Tiefenscan, da ein Liniengitter (hier Bezugszeichen 3) und der Kamera-Chip (hier Bezugszeichen 6) bewegt werden. Dies ist im Stand der Technik dargestellt, s. DE 199 19 584 AI , Fig. 18. Ein Element j des Gitters (hier Bezugszeichen 3) wird entlang der Strecke BS Aj bewegt. Das Bild dieser Strecke im Objektraum ist BS Oj und ist parallel zur optischen Achse des Detektionsobjektivs ausgerichtet, zielt im Objektraum also in die im Unendlichen liegende Pupille des telezen tri sehen Detektionsobjektivs. Hier stellt die gegenläufige Bewegung von Gitter- und Kamera-Pixel-Bilder im Objektraum bei Führungsfehlem des Translationsschlittens (hier Bezugszeichen 7) quer zur Verschiebungsrichtung einen gewissen Nachteil dar. Denn eine - in Abhängigkeit von Querlagen-Abweichungen des Translationsschlittens (hier Bezugszeichen 7) - gegenläufige Bewegung von Gitter- und Kamera-Pixel-Bilder kann zu Messfehlern infolge von Phasenfehlern, insbesondere an geneigten Oberflächen führen.
Die Figur Ij stellt ein typisches Wavelet dar, welches pixelweise mittels einer Anordnung nach den Figuren 1 f, 1 h oder 1 i durch eine Messung erzeugt werden kann. Dieses gemessene Wavelet wurde der Publikation [7)], Abbildung 2, entnommen. Es ist klar erkennbar, dass der Streifen nullter Ordnung bei der relativ großen Anzahl der Perioden unter der Kontrast-Einhüllenden nicht so offensichtlich zu finden ist. Dennoch funktioniert das Auffinden der nullten Ordnung mittels Auswertung des Schwerpunkts zumindest an kooperativen Oberflächen noch vergleichsweise gut, d. h., es wird recht selten eine falsche Streifenordnung als die nullte identifiziert, was sich dann als ein 2Pi-Sprung in der Phasenkarte bemerkbar machen kann.
Die Figur lk präsentiert ein symmetrisches Wavelet, welches an einem kooperativen Objektpunkt O aufgenommen werden kann. Ein symmetrisches Wavelet ergibt sich beispielsweise an einem achssenkrechten und gut lichtstreuenden Bereich des Objekts, dargestellt im Detail Det. l k. Die Ablage delta z CoG koop MW des errechneten Schweipunkts mittels der Daten eines realen Messwertes von der Mitte des Wavelets liegt deutlich unter der Periode pw, welche den Eindeutigkeitsbereieh EDB definiert. So ist eine Identifizierung der Streifenordnung auch durch unterschiedliche numerische Auswcrte- Methoden in der Regel sicher möglich.
Die Figur 11 präsentiert ein asymmetrisches Wavelet, welches an einem nicht-kooperativen Objektpunkt O aufgenommen werden kann. Ein asymmetrisches Wavelet ergibt sich beispielsweise an einem stark geneigten Bereich des Objekts oder auch an einer Objektkante, dargestellt im Detail Det. IL. Die Ablage delta_z_CoG_nicht-koo MW des errechneten Schwerpunkts mittels der Daten eines realen Messwertes von der Mitte des Wavelets liegt deutlich oberhalb der Periode pw, also ist größer als der Eindeutigkeitsbereich EDB, so dass eine Identifizierung der Streifenordnung auch durch unterschiedliche numerische Auswerte- Methoden in der Regel nicht oder kaum möglich ist. Es besteht die Gefahr, dass hier eine falsche Streifenordnung identifiziert wird, die sich bei der Phasenauswertung in einem 2Pi-Sprung oder durch n*2Pi-Sprung mit n=2 oder 3 bemerkbar macht. Die Figur 2 stellt eine kontinuierlich Fokus-scannende Triangulationsanordnung mit dem Doppel- Wavelct-Ansatz mit einem externen kontinuierlichen Scan für hohe Ansprüche dar. Der Triangulationswinkel beträgt 30°. Für den externen Scan kommt ein hier nicht dargestellter kontinuierlich sich bewegender -Translations-Schlitten 8 mit durch Messsystem 10 geregeltem Linearantrieb 9 und mit hochgenauem, hier nicht dargestellten Nullpunkt geber 1 1 , damit der Startvorgang stets hochgenau in derselben z-Position beginnen kann, zur Anwendung. Es sind zwei feine Sinus-Gitter 21 und 22 mit unterschiedlichen Perioden p_l = 50μιτι und p_2_f = 60μπι, also im Verhältnis 5 zu 6 angeordnet, dargestellt in den Figuren 3 und 4. Es gibt eine Schwebungsperiode mit p_12 = 300μηι, symbolisch als Wavelet dargestellt in Figur 7. Die Triangulationswcllenlänge 1 mittels Liniengitter 21 beträgt 86,6 μηι. Die Schrittweite der Tiefenabtastung bei den Bildaufnahmen im Tiefenscan beträgt fürjedes der beiden Liniengitter 21 und 22 rechnerisch jeweils 9,62 μηι und bleibt unverändert im Tiefenscan. Mittels der rechn ergesteuerten gepulsten ersten grün-farbige Lichtquelle 101 , die dem Liniengitter 21 zur Beleuchtung vorgeordnet ist, und der zweiten rechnergesteuerten gepulsten grün-farbige Lichtquelle 102, die dem Liniengitter 22 zur Beleuchtung vorgeordnet ist, erfolgt eine abwechselnde Beleuchtung der beiden Liniengitter 21 und 22. Das Licht von den beiden Liniengittern gelangt über den Neutral-Strahlteilerwürfel 31 durch den Bandpass-Farbteiler 32 für grünes Licht mit dem Bandpass-Farbteiler-Schichtsystem 321, das grünes Licht zu mindestens 90% durchlässt und blaues und rotes Licht zu mindestens 90% reflektiert, in die telezentrische Abbildungsstufe 41. Die Lichtquelle 103, die rotes und blaues Licht ständig im Tiefenscan aussendet, dient der Beleuchtung des Messobjekts 6, um ein Farbbild vom Objekt erzeugen zu können. Das Licht gelangt über den Bandpass-Farbteiler 32, der blaues und rotes Licht zu mindestens 90% reflektiert, ebenfalls in die telezentrische Abbildungsstufe 41. Die numerische Apertur NA der telezentrischen Abbildungsstufe 41 zur Projektion beträgt NA=0,04. Diese weist einen Abbildungsmaßstab vom Betrag eins auf und besitzt objektseitig eine strenge Telezentrie und ist beugungsbegrenzt. Die Verzeichnung liegt bei maximal 0,05%. Die telezentrische Abbildungsstufe 42 ist baugleich zur Abbildungsstufe 41 und besitzt ebenfalls eine numerische Apertur NA =0,04. Die Lichtquelle 103, die rotes und blaues Licht ständig im Tiefenscan aussendet, dient der Objektbeleuchtung, um ein Farbbild vom Objekt erzeugen zu können. Das Licht gelangt über den Bandpass-Farbteiler 32 und über die telezentrische Abbildungsstufe 41 auf das Messobjekt 6, welches als Colorprint farbig ist, und beleuchtet dieses Messobjekt 6 unstrukturiert. Das gewählte Messfeld weist einen Durchmesser von 8mm auf. Es kommt eine Farb-Kamera 71 mit einem Halbzoll-Chip 711 zur Anwendung. Nach jeder Bildaufnahme erfolgt die Beleuchtung des jeweils anderen Liniengitters. Der Farb- Kamera-Chip 71 ist mit Bayer-Mosaik-Filtern ausgebildet. Die grünen Pixel des RGB-Chips 71 1 detektieren die Streifen. Mittels der gleichzeitig stattfinden roten und blauen Beleuchtung des Objekts und dem grünen Kanal wird die Objektfarbe ermittelt. Die Anzahl der Perioden unter der Kontrast-Einhüllenden n_FW_0() ergibt sich für 30° und NA_P-0,04 mit Gleichung (1 ) zu näherungsweise 18 Perioden. Der Tiefenmessbereich beträgt 8 mm. Aus diesem Ti e fenm essberei ch ergibt sich ein wegen des notwendigen Vor- und Nachlaufs ein Tiefenscanbereich von maximal 10mm.
Zur Steuerung von Komponenten der Anordnung nach Figur 2 wie die Lichtquellen 101 und 102, Kamera 71 , geregelter Linearantrieb 9 und auch zur Datenverarbeitung ist ein Rechnersystem 17 der Tiefenscannenden Messanordnung zugeordnet. Dieses Rechnersystem 17 übernimmt auch die Berechnung von 3 D-Punktwolken. Auf dem Display 171 des Rechnersystems 17 wird die gemessene 3 D-Punktwolke vom Messobjekt 6 dargestellt. Ein mögliches Prinzip der Bestimmung einer 3D-Punktwolke ist dabei das Folgende: Es werden bei einer Tiefenscannenden Referenzmessung an hochebener Platte - in der besten Fokusposition - die Phasen modulo 2 i für ein kürzeres Wavelet Wl und ein etwas längeres Wavelet W2 bestimmt, bezogen auf das Abtast-Raster, und deren Phasendifferenz modulo 2Pi mitteis Vielpunkte-Auswertung bestimmt und gespeichert. Dann wird bei einer Objekt- Messung an den Punkten des Messobjekts 6 die jeweilige z-Position im Hoch-Kontrastbereich mittels Vielpunkte-Berechnung bestimmt, wo exakt die gleichen Phasenbeziehungen bestehen oder wo der gleiche Ausschnitt der beiden Wavelets liegt. In Figur 3 ist die Transparenz des Liniengitters 21 mit cosinus-quadratförmiger Transparenz mit feiner Gitterperiode p_l dargestellt. In Figur 4 ist die Transparenz des Liniengitters 22 mit der Gitterperiode p_2 dargestellt. Im Rahmen dieser Anmeldeschrift weist das erste Liniengitter
21 mit p_l stets die feinere Periode im Vergleich zur Periode p 2_f des zweiten Liniengitters
22 auf, das ebenfalls mit cosinus-quadratförmiger Transparenz ausgebildet ist. Derartige Gitter werden auch als Sinusgitter bezeichnet. Alternativ ist aber auch der Einsatz von binären
Liniengittern möglich. Das Verhältnis der Perioden beträgt hier 5:6. Die Schwebungsperiode beträgt p 12, die das 6-fache von p_l und das 5-fache von p 1 beträgt.
Die Figur 5 zeigt das erste Wavelet W l über dem Scan-Weg z_s, welches aus dem feinen Linien gitter 21 resultiert. Dargestellt ist die Kontrasteinhüllende CE 1 sowie die aus dem Schwerpunkt der Kontrasteinhüllenden des Wavelets errechnete Tiefenposition z CoG l . Die Figur 6 zeigt das etwas längere zweite Wavelet W2 mit der etwas geringeren Ortsfrequenz im Vergleich zum ersten Wavelet Wl , welches sich aus dem feinen Liniengitter 22 ableitet. Die Wavelets sind in den Figuren 5 und 6 wegen der besseren Erkennbarkeit mit durchgezogenen Strichen dargestellt. In der Realität ergeben sich jedoch Wavelets mit diskreten Messpunkten. Bei diesen Parametern ergeben sich jeweils näherungs weise 6 bis 7 Perioden mit mindestens 50% der Maximalamplitude. Jedes Wavelet wird pixelweise aus einem Bilderstapel gewonnen. Dazu werden die Intensitätswerte abwechselnd aus dem Bilderstapel heraussortiert und separat abgespeichert. Die einzelnen Signalwerte entstehen also etwas zeitversetzt. Jedes Wavelet wird zeitlich verschachtelt aufgenommen. Der Wert dclta z CoG 12_f_i zeigt die Differenz der Schwerpunktlagen in einem Pixel i. Dieser Wert delta_z_CoG_ 12_f_i ist im Ideal fall null, wird aber durch Signalrauschen und Abtastfehler bei der Erstellung der Wavelets verursacht. Im Verfahren werden die Schwerpunkte CoG l und CoG_2_f der beiden Kontrasteinhü 1 lenden CE_1 und CE_2 der Wavelets Wl und W2 bestimmt. Daraus wird die Differenz der Schwerpunktlagen delta_z_CoG_l 2_f errechnet. Ein dichtes Beieinanderliegen von CoG 1 und CoG_2_f, also ein geringer Wert von dclta z CoG 12_f, ist ein Anzeichen für eine in der Regel hohe Signalqualität und gute mechanische Stabilität der Anordnung sowie ein genauen Abtasten in der Tiefe. Es werden jeweils die Phasen für beide Signal verläufe am Schwerpunkt berechnet.
Die Figur 7 präsentiert als Modell die Schwebung der beiden feinen Liniengitter 21 und 22 in Form eines Wavelets mit der Schwebungsperiodc pw 12, wobei auch hier das Wavelet vereinfachter Weise als durchgezogenes Muster dargestellt ist, obwohl es bei einer Messung nur in diskreten Werten vorliegt.
Die Figur 8a zeigt das Wavelet WRl für einen Referenzmesspunkt R, gehörend zu einem Pixel P, wobei der Referenzmesspunkt R und der Pixel P optisch konjugiert sind. Das Referenzsignal wurde mittels Pixel P aufgenommen. Das Wavelet WRl stammt aus einem Bilderstapel, der mit dem feinen Liniengitter 21 mit der Gitterperiode p_l an einer weißen lichtstreuenden Planplatte als Referenzobjekt an einem Referenzpunkt R gemessen und generiert wurde. Das Referenzobjekt stellt hierbei eine messtechnisch für die Triangulation sehr kooperative helle Oberfläche mit lateral sehr gleichmäßiger Lichtstreuung dar. Diese Referenz-Planplatte steht hierbei stets senkrecht zur optischen Achse des Detektionsstrahlenganges. Diese Position der Referenz-Planplatte gilt stets für alle Referenzmessungen. Für die Aufnahme der Messpunkte für dieses Wavelets WRl ist die Lichtquelle 101 für das Liniengitter 21 stets bei der Bildaufnahme für das Wavelet WRl eingeschaltet und die Lichtquelle 102 für das zweite Liniengitter 22 stets ausgeschaltet, wobei dies im schnellen Wechsel gemäß der Bildaufnahmefrequenz der Kamera 71 mit dem Kamera-Chip 701 im Tiefenscan erfolgt. Der Abtastkamm AK ist hier nur symbolisch dargestellt. In der Regel wird noch etwas dichter abgetastet, beispielsweise mit 9 Stützstellen pro Periode bei der Abtastung. Wie dem Fachmann bekannt, kann aus dem Wavelet WRl die Tiefenposition z R I CoG mittels der bekannten Centers of Gravity-Rechnung, also durch eine Schwerpunktbestimmung der Kontrast- Einhüllenden des Wavelets dann aus dem vorliegenden Wavelet-Signal WR für jeden Referenzpunkt R bestimmt werden. Außerdem wird die Phase phi R I CoG am Schwerpunkt der Kontrast-Einhüllenden bestimmt und gespeichert. Die Figur 8b stellt das Referenzsignal in Pixel P gemessen mit dem zweiten, nur etwas gröberen Liniengitter 22 mit der Gitterperiode p_2_f an demselben Referenzpunkt R der Referenz-Planplatte dar. Dies ist möglich, wenn nur dann Signalwerte des Wavelets WR2 mittels Pixel P aufgenommen werden, wenn die Lichtquelle 101 für das erste Liniengitter 21 ausgeschaltet ist und die Lichtquelle 102 für das zweite Liniengitter 22 eingeschaltet ist. Die Liniengitter 21 und 22 sind optisch konjugiert angeordnet. Mittels des Liniengitters 22 wird die Tiefenposition z R_2_f CoG des Centers of Gravity (CoG) aus dem dann vorliegenden Wavelet-Signal WR2 über die Kontrast-Einhüllende durch Rechnung bestimmt und gespeichert. Auch die Phase phi_R_2_f_CoG wird ermittelt und ebenfalls abgespeichert. In den Figuren 8a und 8b fallen die Lagen der Schwerpunkte z R 1 CoG und z_R_2_f _CoG aus zeichentechnischen Gründen zusammen. Es ist somit der Idealfall dargestellt, wobei die Abweichung delta_z_CoG_ 12_f bei einer mechanisch stabil konstruierten und gut justierten Anordnung bei einer Tie enabtastung mit einer Unsicherheit von maximal 1 % der Gitterperiode p_l im Abtastschritt und stabil arbeitenden Lichtquellen gering sein sollte.
Die Figur 8c stellt die errechnete Schwebung der Referenzsignale bzw. Referenzwavelets dar. Diese Schwebung in Figur 8c wird nur dargestellt, um den Eindeutigkeitsbereich EDB zu erkennen, welcher der Schwebungsperiode pw_12 entspricht. Für das Schwebungssignal erfolgt hier keine Phasenauswertung.
Die Figur 8d stellt ein Wavelet WOl für einen Objektmesspunkt i, gehörend zum Pixel P_i, dar. Dabei sind Objektmesspunkt O i, und der Pixel P_i optisch konjugiert, wobei im Weiteren wieder auf die Schreibung des Index i verzichtet wird. Dieses Signal WOl wurde bei einer Objektmessung an einem sehr kooperativen Messobjekt mit dem feinen Liniengitter 21 (p 1) ermittelt. Dabei ergibt sich aufgrund von Lage und Form des Objekts für die Tiefenposition des Objektmesspunkt O in der Regel eine andere Tiefenposition als bei der Referenzmessung. Demzufolge ist das Objekt- Wavelet WOl gegenüber dem Referenz- Wavel et WR 1 auf der z_s- Achse, also in der Tiefe, verschoben. Diese Verschiebung beinhaltet die Messinformation über die Tiefenlage des Objektpunkt O in Bezug auf den Referenzmesspunkt. Es wird mittels Schwerpunktauswertung der Wert z O l CoG bestimmt und in dessen Umgebung jeweils die Orte der Phase phi R I CoG bestimmt, wobei hier nur der Ort z O 1 dargestellt ist. Die Figur 8e stellt Wavelet W02 für einen Objektmesspunkt i, gemessen mit dem gröberen Liniengitter 22 (p_2_f) dar. In der Umgebung des Schwerpunkts die Orte der Phase phi R 2_f CoG bestimmt. Schließlich wird der Ort z O in der Umgebung des Schwerpunkts z_0 1 CoG bestimmt, an welchen die Phasenpaare aus den Wavelets WOl und W02 am besten mit den Phasenpaaren aus den Wavelets WR 1 und WR2 übereinstimmen. Die Phasenpaare an den Positionen ,,- ! " und „+1" scheiden aus, weil diese zu weit vom Schwerpunkt z O l CoG entfernt sind. Bei sehr symmetrischen Wavelet-Signalen gemäß der Figuren 8d und 8e könnte noch auf die Anwendung des Zwei -Wavelet- Ansatzes verzichtet werden. Doch bei Wavelets mit 20 und mehr Perioden und einer gewissen Asymmetrie der Kontrast-Einhüllenden ist die Nutzung des Zwei-Wavelct- Ansatzes unverzichtbar.
Im Folgenden wird der Ablauf für ein beispielhaftes Verfahren mit zwei getrennten feinen Liniengittern, s.a. Figuren 8a bis 8c, für die Referenzmessung, d. h. Messung an einer Referenzplatte, beschrieben:
1. Bestimme in einer Referenzmessung mit einer hochebenen und lichtstreuenden Referenzplatte für alle Pixel des gerasterten Detektors mittels feinem Liniengitter 21 mit der Periodenlänge p_l die Tiefenposition z_R_CoG_l des Centers of Gravity (CoG).
2. Bestimme in einer Referenzmessung einer hochebenen und lichtstreuenden Referenzplaue für alle Pixel mittels feinem Liniengitter 22 mit der Periodenlänge p 2_f die Tiefenposition z R CoG 2 f des Centers of Gravity.
3. Bestimme in einer Referenzmessung für alle Pixel des gerasterten Detektors 7X die Differenz der Tiefenpositionen z R_ CoG 1 - z R CoG_2_f und verwerfe die Messpunkte, deren Differenz einen Schwellwert delta z waste überschreitet. Als Orientierung gilt für den Schwell wert delta z waste bevorzugt die halbe Periodenlänge des Liniengitters 21 mit der Perioden länge p_l .
4. Verfahre mit den übrigen (gültigen) Pixel wie folgt:
5. Errechne den Phasenwert phi_R_CoG_l in einer Referenzmessung für alle Pixel an der Tiefenposition z_R CoG p 1 des Centers of Gravity.
6. Errechne den Phasenwert phi_R_CoG_2_f in einer Referenzmessung für alle Pixel an der Tiefenposition z R CoG_2 f des Centers of Gravity.
7. Bestimme in einer Referenzmessung für alle Pixel den Schwebungsverlauf mittels der Daten beider Liniengitter 21 und 22 und damit den Phasenwert phi_R_12 CoG am Centers of Gravity. Der Phasenwert phi_R 12 CoG kann an der Tiefenposition z R CoG l oder an der Tiefenposition z_R CoG_2_f oder an der gemittelten Tiefenposition z R mittel bestimmt werden. Letzteres ist bevorzugt, also ist dies dann der Phasenwert phi R 12 CoG mittel. 8. Speichere den Phasenwert Phasenwert phi R 12 CoG_mittel sowie auch die Phasenwerte phi_R_CoG_l und phi R CoG_2_f für alle gültigen Pixel.
Im Folgenden wird der Ablauf für ein Verfahren mit zwei getrennten feinen Liniengittern, s.a. Figuren 8d bis 8e, für die Objektmessung, d. h. Messung an einem Objekt, beschrieben:
1. Bestimme in einer Objektmessung für alle Pixel mittels Liniengitter 21 mit der Periodenlänge p 1 die Tiefenposition z_R_CoG_l des Centers of Gravity.
2. Bestimme in einer Objektmessung für alle Pixel mittels Liniengitter 22 mit der Perioden länge p 2 die Tiefenposition z_R_CoG_2 des Centers of Gravity.
3. Bestimme in einer Objektmessung für alle Pixel die Differenz der Tiefenpositionen z O CoG l - z_0_CoG_2_f und verwerfe die Messpunkte, deren Differenz einen Schwellwert delta z waste überschreitet. Als Orientierung gilt für den Schwellwert delta_z_waste bevorzugt die halbe Periodenlänge des feinen ersten Liniengitters 21 mit der Periodenlängc p I .
4. Verfahre mit den übrigen (gültigen) Pixel wie folgt: Bilde den Mittelwert z O CoG mittel 12.
5. Errechne den Phasenwert phi O CoG 1 in den Objektmessungen für alle Pixel an der Tiefenposition z O CoG 1 des Centers of Gravity.
6. Errechne den Phasenwert phi O CoG 2_f in den Objektmessungen für alle Pixel an der Tiefenposition z O CoG_2_f des Centers of Gravity.
7. Suche in den Objektmessungen für alle Pixel den Phasenwert phi_R_12 CoG mittel, welcher dem Mittelwert z O CoG mitte 2 am nächsten liegt, und bestimme die Tiefenposition z_0_m Ittels desselben für alle Pixel.
8. Suche in den Objektmessungen für alle Pixel die Phasenwerte phi CoG O p l und Phasenwerte phi_CoG O_p_2 in unmittelbarer Umgebung von phi_12 CoG R mittel und bestimme die zugehörige Tiefenposition z_0 1 und z_0 2 im Abtastkamm und mittele diese z- Tiefenpositionen zu z O mittel 1 2, wobei dieser Mittelwert z O mittel 1 2 dann die jeweilige Tiefenposition eines Objektpunkts darstellt.
Der Kontrastschwerpunkt des groben Liniengitters mit Periode p_2 _g wird nicht thematisiert, da er wegen seiner„Unscharfe" aufgrund der vergleichsweise großen Breite der Einhüllenden des zugehörigen Wavelets nicht zur Rechnung verwendet wird. Ein nutzbarer Kontrastsehwerpunkt CoG leitet sich immer von einem feinen Liniengitter ab, also hier vom feinen Liniengitter 21 mit der Periode p_l , so dass der Kontrastschwerpunkt CoG l durc Rechnung bestimmt wird. Der Kontrastschwerpunkt CoG 2_f vom feinen Liniengitter 22 mit Periode p_2_f wird nur benutzt um über Ablage zu CoG 1 die Signalgüte zu beurteilen. Ist die Ablage (delta z CoG 1 -Cog_2 f_i ) von CoG_2_f zu CoG_l zu groß, bestehen unterschiedliche Asymmetrien in den Kontrast-Einhüllenden, was auf fehlerhafte optische Signale schließen lässt. Messergebnisse von einem derartigen Messpunkt sollten unter diesen Umständen verworfen werden. Die Figur 9 stellt eine Anordnung für einen Ansatz für einen externen Tiefenscan dar. Der Betrag des Abbildungsmaßstabs beta_strich_P im Projektionsstrahlengang ist für einen Triangulationswinkel beta_P=30°, passend zu einem üblichen Mikrospiegel-Array mit 12° Ablenkwinkel der Mikrospiegel gewählt. Objektseitig besteht für die beiden Abbildungsstufen 41 und 42 eine strenge Telezentrie, wobei die numerische Apertur im Objektraum hier objektseilig jeweils NA=0,04 beträgt. Das strukturierte Licht wird mittels einer grün-farbigen Kaltlichtquelle 104, die im Tiefenscan permanent eingeschaltet ist, und mit einem räumlichen Lichtmodulator 23 (Spatial Light Modulator-SLM) erzeugt, der als Mikrospiegel-Array ausgebildet ist. Dieser wird somit als ein steuerbares Liniengitter eingesetzt. Mittels diesem Lichtmodulator 23 werden sequenziell die Gitterperioden p_l und p_2_f ein erzeugt, deren Verhältnis auch hier 5:6 beträgt. Dazu erfolgt nach jedem vom Messobjekt 6 mit strukturierter Beleuchtung aufgenommenen Bild eine Umschaltung des Lichtmodulators 23 in eine andere Periode des Liniengitters. Die Aufnahme des Messobjekts 6, um den Bilderstapel zu erzeugen, erfolgt mit einer monochromen Kamera 73. Die Figur 10 zeigt ein mittels einem räumlichen Lichtmodulator 23 eingeschriebenes Liniengitter mit der Gitterperiode p_l_SLM zu einem Zeitpunkt tl und die Figur 11 stellt ein mittels SLM 23 eingeschriebenes Liniengitter mit der Gitterperiode p_2_f SLM zu einem Zeitpunkt t2 dar. Jedes Wavelet wird pixelweise aus einem Bilderstapel gewonnen. Dazu werden die Intensitätswerte abwechselnd aus dem Bilderstapel heraussortiert und separat abgespeichert.
Die Figur 12 stellt eine Anordnung mit einem externen Tiefenscan dar, bei der auch die Farbe des Messobjekts 6 ermittelt werden kann. Die Anordnung verwendet den Doppel-Wavelet- Ansatz, bei dem zwei feine Liniengitter abwechselnd beleuchtet und zur Gewinnung von zwei Wavelets eingesetzt werden.
Es besteht für die Projektion und Detektion eine l : l -Abbiidung, wodurch die maximale Ausdehnung des Messobjekts 6 durch die Kamera-Chip-Größe mitbestimmt ist. Die numerischen Aperturen betragen jeweils 0,04. Es werden zwei feine Liniengitter 21 und 22 eingesetzt, die abwechselnd von der Lichtquelle 1 1 1 für das Liniengitter 21 und von der Lichtquelle 1 12 für das Liniengitter 22 beleuchtet werden. Die Lichtquelle 1 1 1 ist im Spektrum sowohl mit starkem Lichtanteil mit Schwerpunkt bei der Wellenlänge 580 nm ausgebildet, der bis zur Wellenlänge 550nm auf null abfällt, als auch mit einem breitbandigen Rotanteil. Der Spektralbereich von 550nm bis 580nm ist für das Liniengitter 21 reserviert. Die Lichtquelle 112 ist im Spektrum sowohl mit starkem Lichtanteil mit Schwerpunkt bei der Wellenlänge 520 nm ausgebildet, der bis zur Wellenlänge 550 nm auf null abfällt, als auch mit einem breitbandigen Blauanteil. Der Spektralbereich von 520 nm bis 550 nm ist für das Liniengitter 22 reserviert. Die Lichtquellen 1 1 1 und 1 12 werden im Wechsel gepulst. Dabei laufen beide Lichtquellen rechncr-synchronisiert zu einer 2-Chip- Kamera 72, die einen Kanten-Farbteiler 34 für die Transmission von grünem Licht, welches strukturiert ist. Die Farbkorrektur der telezentnschen Abbildungsstufen 41 und 42 muss im Spektralbereich von 520 nm bis 580 nm besonders gut sein. Der externe Tiefenscan erfolgt mittels Präzisions- Translationsschlitten 8 und Antrieb 9, der mit einem Translations-Mess-System 10 ausgebildet ist. Vorzugsweise sind die telezentnschen Abbildungsstufen 41 und 42 gut auf die Wellenlängen 535nm und 565nm chromatisch korrigiert, da dies auch die Schwerpunktwellenlängen der beiden Peaks der Lichtquellen sind. Das Detail 12.1. zeigt den zeitlichen Ablauf der Belichtung und die Angabe des jeweiligen Spektralbereiches der Lichtquelle. Das Detail 12.2 zeigt das Emissionsspektrum der Lichtquelle 1 1 1 und das Detail 2.3 zeigt das Emissionsspektrum der Lichtquelle 112. Das Detail 12.4 zeigt die Transmission vom Farbteiler 341 im Spektralbereich von 520nm bis 580nm, der für die Messung mittels Chip 721 genutzt wird. Der Chip 722 detektiert nur Intensitäten, um die Farbe des Objekts zu bestimmen. In diesem Spektralbereich muss die chromatische Korrektur der Optik auch nicht perfekt sein, wenn keine extremen Anforderungen an die laterale Farbinformation des Messobjekts 6 bestehen. Der monochrome Chip 721 der Kamera 72 detektiert von den Lichtquellen 11 1 und 1 12 abwechselnd nur strukturiertes Licht im Spektralbereich von 520nm bis 580nm. Nur mittels dieses Monochrom-Chips 721 werden Phasen-Informationen gewonnen. Aus dessen Amplitude kann der Grünanteil errechnet werden. Der monochrome Chip 722 bekommt Licht im Spektralbereich von 450nm bis 520nm und 580nm bis 650nm, jedoch zu unterschiedlichen Zeiten, was damit unterscheidbar ist. Aus den beiden Kanälen mit den monochromen Chips 721 und 722 und den unterschiedlichen Lichtquelle 1 1 1 und 1 12 kann die Info für die Objektfarbe im roten und blauen Bereich gewonnen werden, die mit der Info vom Monochromen Chip 721 die RGB-Farben des Messobjekts 6 ergibt. Der zweite monochrome Chip 722 dient nur der Gewinnung von Farbinformationen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel (1) zu Figur 12 ist der gerasterte Detektor als übliche Ein-Chip-Farbkamera mit Bayer Mosaik ausgebildet. Es werden nur die grünen Pixel für die Phasenauswertung genutzt. Das bringt jedoch keine 100%-Abdeckung mit Pixeln, sondern nur 50 %-Abdeckung. Das stellt für die Auflösung kein größeres Problem dar, wenn die Kamera hinreichend hochpixlig ist. Jedoch ist die Lichtausnutzung nicht optimal. In einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel (2) zu Figur 12 ist der gerasterte Detektor als übliche 3 -Chip- Farbkamera ausgebildet. Auch hier werden nur die grünen Pixel für die Phasenauswertung genutzt, was vorteilhafterweise eine 100%-Abdeckung mit Pixeln bringt.
Die Figur 13 stellt eine Triangulations-Messanordnung mit einem internen kontinuierlichen Scan dar für etwas kleinere Messvolumina dar. Mittels der zwei rechnergesteuert gepulsten, grün-farbigen Lichtquellen 101 und 102, die stets im Wechsel eingeschaltet sind, erfolgt die Beleuchtung der beiden feinen Liniengitter 21 mit den Gitterperioden ρ1=60μηι und 22 mit ρ2_ί-=72μιη, während diese beiden mittels Translationsschlitten 81 mit Tiefenkomponente bewegt werden. Hier steht die Translationsachse TA senkrecht im Raum. Auch die monochrome Kamera 73 ist über das Reclmersystem 17 im Tiefenscan mit der wechselnden Beleuchtung der beiden Liniengitter 21 und 21 und dem Translationsschlitten 81 synchronisiert. Die beidseitig telezentrische Abbildungsstufe 41 zur Projektion, also zur Abbildung der Liniengitter 21 und 22, weist einen Abbi Idungsmaßstab von 1 : 1 und eine numerische Apertur von NA-0,067 auf. Auch die beidseitig telezentrische Abbildungsstufe 41 zur Detektion weist einen Abbildungsmaßstab von -1 : 1 sowie eine numerische Apertur von NA=0,05 auf. Es gibt bei Mangel an Bauraum beim Optik-Design die Möglichkeit, die Lagen der Hauptebenen derselben in der Tiefe im Optik-Design etwas zu verschieben. Der Triangulationswinkel beta beträgt 45°. Die Ebenen der beiden Liniengitter und die Detektorebene sind parallel zueinander ausgerichtet und die Translationsachse TA steht senkrecht auf den Ebenen der beiden Liniengitter 21 und 22 und auf der Ebene des Chips 731 der monochromen Kamera 73. Der Detektionshauptstrahl und die Translationsachse sind parallel ausgerichtet. Der Projektionshauptstrahl und die Translationsachse TA sind 45°zueinander ausgerichtet.
Die Anzahl der Reflexionen im Detektionsstrahlengang ist null und es gibt genau zwei Reflexionen mittels Pentaprisma 413 im Projektionsstrahlengang. Der Träger der Liniengitter ist durch Stäbe 12 abgefangen, so dass kein Schwingen auftritt. Der Kippfehler des Translationsschlittens 81 schlägt hierbei recht stark in das Messergebnis durch, da der
Einfallswinkel auf die Liniengitter 45° beträgt. Deshalb steht das feinere der beiden Liniengitter, das Liniengitter 21 nahe an der Translationsachsc TA. Der senkrechte Einfall auf den Chip 731 der monochromen Kamera 73 ist vorteilhaft, da so Kippungen des Translations-Schlittens 81 weitgehend wirkungslos bleiben. Laterale Führungsfehler des Translations-Schlittens 81 beim kontinuierlichen Tiefenscan wirken gleichsinnig auf die Liniengitter 21 und 22, was für die Phasenbeziehungen in den Signalen von Vorteil ist. So minimieren sieh die Fehler beim Messen achssenkrechter Oberflächen Bereiche sehr stark. Jedoch sind diese Führungsfehler beim Vorhandensein von großen Gradienten auf dem Objekt problematisch, da sich hierdurch Messf ehler ergeben können. Die Lage der Liniengitter 21 und 22 in der unmittelbaren Nähe der Translationsachse TA minimiert den Einfluss von Kipp fehlem des Translations-Schlittens 81 . Der Kippfehler des Translationsschlittens 81 schlägt hierbei recht stark auf das Messergebnis durch, da der Einfallswinkel auf die Liniengitter 21 und 22 hier 45° beträgt.
Bezüglich der Anzahl der Perioden unter der Einhüllenden ergibt sich hier, da betaJD gleich null ist, mit der Gleichung n_F W_00* 1 ,22*f tan(beta_P)+tan(beta_D)]/NA
n FW_00~ 1 ,22*tan(45°)/0,067«l 8 eine Anzahl von 18 Perioden unter der Einhüllenden. Aus der 1 : 1 -Abbildung der Abbildungsstufe 42 im Dctektionsstr ahlengang resultiert in Abhängigkeit von der Größe des Chips 731 der Kamera 73 ein Messvolumen, welches in der Regel unter 10mm x 10mm x 10mm liegt. Bei einem Kamera-Chip mit 5,6μτη Pixel-Pitch und 1 Millionen Pixeln ergibt sich hier eine Feld-Diagonale von etwa 8mm. Mit dieser Anordnung kann ein Tiefen-Messbereich von 6 mm realisiert werden, wobei der erforderliche Scanbereich maximal um 9mm beträgt.
Die Abtastschrittw eite, also der Tiefenschritt zwischen zwei Bildern für die Aufnahme des Bilderstapels S am Translationsschlitten beträgt 5μηι, Da die Lichtquellen 101 und 102 wechselseitig eingeschaltet sind, betragt für jedes aus dem Bilderstapel heraussortierte Wavelet die Abtastschrittweite 1 Ομηι.
Auch hier in der Anordnung nach Figur 13 ist die konfokale Bedingung für getrennte Blenden für Projektion und Detektion erfüllt, da die Bildpunktgeraden BS 01 und BS 02 von Gitterelementen im Objektraum zur Translationsachse TA und zur optischen Achse des Detektionssystems ADO Parallelen sind, die mit den Bildpunktgeraden AS O der Pixel im Objektraum im gesamten Tiefenscan zusammenfallen. Es gibt eine Kopplung der Schärfeebenen im gesamten Tiefenscan des Tiefen-Messbereichs. Ebenfalls ist das Zusammenfallen der Punkte O, C\ Gl , G2 zu einem Zeitpunkt des Tiefenscans auf dem Objekt 6 dargestellt. Der Quer-Führungsfehler des Translations-Schlittens 81, hier der einzelnen Komponenten, sollte für hohe Anforderungen, d. h., wenn auch Objekte mit vergleichsweise großen OberHächengradienten fehlerarm gemessen werden sollen und bei Pixelgrößen um 3μηι bis όμιη und für Gitterperioden p der Liniengitter von 50μηι, maximal Ι μηι betragen, um dadurch verursachte Messunsicherheiten sicher unter einem Mikrometer zu halten. Das Pentaprisma 413 besitzt zwei Spiegelflächen. Somit ist die Differenz der Spiegelungen in P- und D-Strahlengang geradzahlig. Diese Geradzahligkeit führt zum Vorteil der Kompensation von lateralen Führungsfehlem, da ein Pixelbild und ein Element des Liniengitters im Objektraum auch bei lateralen Führungsfehlern optisch konjugiert bleiben, also bei Querversatz sich gemeinsam auf dem Messobjekt 6 bewegen. Beim Auftreffen eines Schwerstrahls auf einen achssenkrechten Flächenbereich des Messobjekts 6 gibt es bei Querversatz des Translationsschlittens 81 somit keinen Phasenfehler, dagegen bei geneigten Flächenbereichen des Messobjekts schon. Deshalb ist ein kleiner lateraler Führungsfehler des Translationsschlittens 81 eine Voraussetzung für ein fehlerarmes Messen. Beim Messen mit einer Anordnung nach Figur 13 entstehen die in den Figuren 5 und 6 dargestellten Wavelet-Signale. Die Auswertung dieser Wavelcts entspricht der Beschreibung zur Figurengruppe 8 sowie den Darstellungen in der Figurengruppe 8.
Bezüglich der Signalauswertung gibt es zwischen einem inneren und einem äußeren Tiefenscan nur den Unterschied, dass die Phase am Schwerpunkt bei einer geometrisch-optisch stabilen Triangulationsanordnung mit einem äußeren Tiefenscan völlig unabhängig von der Objekttiefenposition, also pixelweise stets dieselbe ist. Dagegen kann es bei einer Anordnung mit einem äußeren Tiefenscan trotz Einhaltung der konfokalen Bedingung - also dem Zusammenfallen der Bilder der array-seitigen Verschiebungsstrecken im Objektraum- in Abhängigkeit von der Güte der Optik, speziell der Korrektur in der Tiefe, zu gewissen Veränderungen der Phase am Schwerpunkt in Abhängigkeit von der aktuellen Tiefe eines Objektpunktes kommen. Bei einem gut hinsichtlich Telezentrie designten optischen System mit einer numerischen Apertur unter 0,15, sicherer mit einer numerischen Apertur unter 0, 1 ist die Unabhängigkeit der Phase am Schwerpunkt von der aktuellen Tiefenposition erreichbar.
Die Figur 14 stellt die Anordnung nach Figur 13 mit nun zweiseitiger Beleuchtung dar. Es gibt mindestens ein hier nicht dargestelltes Gegenlager für den Translationsschlitten 81 um die Führungsfehler zu minimieren. Auch die Mittel zur mechanischen Versteifung der Vorrichtung, um ein Wippen oder Schwingen der Liniengitter 21 , 22, 25, 26 im Tiefenscan zu verhindern, sind hier nicht dargestellt. Auch hierbei entstehen Wavelets, die bereits in den Figuren 5 und 6 dargestellt sind. Auch hier entspricht die Auswertung dieser Wavelets der Beschreibung zur Figurengruppe 8 sowie den Darstellungen in der Figurengruppe 8. Dies gilt auch für alle weiteren Anordnungen, bei denen zwei Wavelets erzeugt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel (3), basierend auf der Figur 14, jedoch ohne Figur sind anstelle der zwei - wie in Figur 14 - nun vier um 120° angeordnete Projektionsstrahlcngänge angeordnet, um Abschattungseffekte bei tiefgeformten Messobjekten, beispielsweise in Kegel- Pyramiden- oder in Freiform-Ausbildung, weitgehend zu minimieren.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel (4), basierend auf der Figur 14, jedoch ohne eigene Figur sind anstelle der vier Liniengitter 21 , 22, 25 und 26 - wie in Figur 14- nur die Liniengitter 21 und 26 oder die Liniengitter 22 und 25 angeordnet. Damit entsteht hierbei nur jeweils ein Wavelet im Detektionsstrahlengang. Voraussetzung ist dann jedoch eine Projektionsoptik mit einer objektseitigen numerischen Apertur NAJPO von mindestens NA PC ),08 oder besser 0,1 einzusetzen. In diesem letzten Fall beträgt die Anzahl der Perioden unter der Einhüllenden n_FW_00*L22*tan(45°)/0, 12«! 2,2.
Für eine Vielzahl von eher kooperativen Messobjekten kann auch mit einer derartigen Messanordnung mit nur einem Wavelet zufriedenstellend gemessen werden.
In der Figur 15a beträgt für die Anordnung mit einem internen kontinuierlichen Tiefenscan der Triangulationswinkel 30°. Somit ergibt sich mit der numerischen Apertur des Projektionsstrahlenganges NA_PO=0,04 nach Gleichung 1 eine Anzahl n FW_00 von 17,6. Weiterhin ergibt sich für einen Abbildungsmaßstab von -1 und aus dem Triangulationswinkel von 30°ein Ablenkwinkel delta von delta=l 80°-2beta, damit die Bewegungsstrecken der BS_A parallel zu Translationsachse TA verlaufen, wodurch die konfokale Bedingung auch hier erfüllt ist.
In der Figur 15b ist eine Anordnung mit einem externen kontinuierlichen Tiefenscan dargestellt. Der Triangulationswinkel beträgt 30°. Diese Messanordnung ist an einer 3- Koordinatenmessmaschine angebracht und nutzt deren Möglichkeiten zu einem hochgenauen externen Tiefenscan.
Figuren 16a bis 16g zeigen jeweils beispielhafte Triangulationsanordnungen mit einem internen Tiefenscan, wobei im Projektionsstrahlengang mindestens zwei Planspiegelflächen in Form einer Winkelspiegelanordnung angeordnet sind. Die Triangulationsanordnungen können mit dem Wavelet- Ansatz verwendet werden, wobei ein oder mehrere Wavelcts generiert und zur Messung verwendet werden können.
In einem Ausfuhrungsbeispiel nach Figur 1 a mit beta=30° mit einer höheren Apertur des Projektionsstrahlenganges von NA_PO= 0,6 ist jeweils nur ein Liniengitter in jedem Projektionsstrahlengang angeordnet. So werden dann nur das Liniengitter 21 und das Liniengitter 26 verwendet und es entsteht nur jeweils ein Wavelet. Der Ablenkwinkei delta beträgt 2beta=60°. In einem Ausführungsbeispiel (5), basierend auf Figur 16a, kann auch nur ein Liniengitter symmetrisch auf der Achse TA positioniert werden, welches dann von zwei Lichtquellen aus verschieden Richtungen - gemäß der dargestellten Richtungen in Figur 16a - beleuchtet wird. Jedoch kann es ein Übersprechen in den jeweils nicht zu beleuchtenden Projektionsstrahlengang geben. Die Nutzung von leicht verschiedenen Schwerpunktwellenlängen in den beiden Projektionsstufen mit Bandsperrfiltern für die Wellenlängen des jeweils unerwünschten Lichts im anderen Strahlengang rechtfertigt diesen Aufwand, der auch konstruktiv mit dem Translationsschlitten in der Regel einen weiteren Aufwand bringt, nur in Ausnahmefällen. Es ist besser, die Abbildungsstufen für genau eine Schwerpunktwellenlänge hinsichtlich Verzeichnung und Minimierung von Telezentriefehiern im gesamten adressierten Messvolumen zu optimieren.
In einem Ausführungsbeispiel nach Figur 16b, ebenfalls mit beta=30 und einem Betrag des Abbildungsmaßstabes gleich eins ist die Messebene um 12° geneigt. Um eine gemeinsame Schärfeebene im Objektraum zu ermöglichen, sind der Kamera-Chip 731 und die Liniengitter 21 und 26 ebenfalls um 12° geneigt. Die numerischen Aperturen in beiden Strahlengängen betragen jeweils 0,1 (N A_P-N A_D=0, 1 ), um eine Voraussetzung zu schaffen, die Kamera mit einer hohen Bildfrequenz von 1 kHz betreiben zu können. Der Tiefenmessbereich wird durch die Kamera-Chip-Länge in der Vorschubrichtung v mitbestimmt und ergibt sich hier wegen des Neigungswinkels von 12° und dem Betrag des Abbildungsmaßstabes von eins zu knapp einem Fünftel der Kamera-Chip-Länge, da Vor- und Nachlauf für die Messung benötigt werden. Der Translationsschlitten 81 dient hier nur zur einmaligen Fokussierung oder Nachfokussierung. Zwischen einem Löt-Bump 63 als Messobjekt und der Triangulationsanordnung gibt eine laterale Bewegung zumindest näherungsweise senkrecht zur optischen Achse ADO. Diese laterale Bewegung wird gemessen und geregelt und ist mit der Kamera synchronisiert, so dass eine Pixclnachvcrfolgung erfolgen kann« wie es bereits in DE 103 21 888 AI beschrieben ist. Ein Wavelet ergibt sich stets aus einem virtuellen Pixel, welches jeweils denselben Objektpunkt mitvcrfolgt und detektiert. Da es nur eine Kamera gibt, ist die Trennung der beiden Projektionskanäle zu beachten. Hier wird zeitlich abwechselnd rechts und links projiziert.
In einem anderen Ausführungsbeispiel (6) kann aber auch mit spektraler Trennung des linken und rechten Kanals gearbeitet werden, indem die Kamera als Zwei-Chip-Kamera mit Farbteiler ausgebildet ist. Zur Anwendung kommen dann die Farben Hellrot und Dunkelrot, die jeweils einer Hochlei stungs-LED-Beleuchtung entstammen. Die Vorschubgeschwindigkeit des Messobjekts wird letztlich nur durch die verfügbare Lichtmenge und die Bildrate der Kamera sowie die Rechenleistung des Systems bestimmt und hat bei Einsatz entsprechender Hochleistungs-Komponenten für die Beleuchtung, Abbildung und Bildaufnahme sowie Regelung der Bewegung das Potenzial für Vorschubgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 0, 1m bis zu Im pro Sekunde für die Klasse der Löl-Bumps. in einem Ausfuhrungsbeispiel zum internen Tiefenscan nach Figur 16c wurde die Anordnung nach Figur 16a um 15° gekippt. So beträgt der Betrag des Abbildungsmaßstabes auch hier in beiden Abbildimgsstufen 1. Der Ablenkwinkel deita beträgt 2 beta=60°. Die Schärfeebenen bleiben im Tiefenscan stets gekoppelt. Bei hinreichend großen Blendenöffnungen, die eine numerische Apertur um 0, 1 ermöglichen, kann mit nur einem Liniengitter gearbeitet werden, da nur etwa 10 Perioden unter der Einhüllenden der Kontrastfunktion auftreten.
In einem Ausführungsbeispiel nach Figur 16d wurde die Anordnung gedoppelt. Durch die Doppelung kann auch der Seitenbereich eines Messobjekts 6 vermessen werden. Jedoch sind hierzu zwei Translationsschlitten 81 notwendig. In einem Ausführungsbeispiel mit einem internen Tiefenscan nach Figur 16e steht der Translationsschlitten 81 mit der Translationsachse TA senkrecht. Der Ablenkwinkel deita beträgt 2beta=60°. Die Translationsachse TA stellt die Winkelhalbierende zu den optischen Achsen APA und ADA dar. Damit sind die Tiefenbewegungen von gleichem Betrag und die Schärfeebenen bleiben im Tiefenscan stets gekoppelt, da auch die Scheimpfiug-Bedingung bei der Neigung von Liniengitter 21 und Kamera-Chip 731 eingehalten ist. Diese Anordnung kann auch mit einem externen Tiefenscan oder mit dem Lateralscan eines bewegten Messobjekts bei stillstehender Anordnung angewendet werden. Das beim Tiefenscan aus dem Bilderstapel zu gewinnende Wavelet hat weniger Perioden als bei den vorherigen Anordnungen nach den Figuren 15 bis 16d, da anstelle 30° hier nur 15°, also die Anzahl der Perioden unter der Einhüllenden n FW nur etwa 50% der eben genannten beträgt. Auch hier ist die kon okale Bedingung eingehalten, da die Verschiebstrecken optisch konjugiert sind, d.h., die Phase am Schwerpunkt ist im Idealfall unabhängig von der gegebenen Tiefenposition eines Obj ekt m esspunktes immer dieselbe. Jedoch zielen die BA O-Strecken nicht in das Zentrum der Pupille, sondern schief. Deshalb muss es eine Pixelnachvcrfolgung geben, so dass mit einem virtuellen Pixel gearbeitet wird, welches im Tiefenscan dem Abbildungsstrahl zugeordnet ist. Dennoch kann auch hier der Ansatz genutzt werden, die abgespeicherte Phase phi R CoG am Maximum der Referenz-Messung bei der Objekt-Messung als Tiefenort für die Tiefenbestimmung zu nutzen.
Die Nutzung von zwei Translationsschlitten 81 - wie in Figur 16d dargestellt - wird überflüssig, indem eine Doppelung der optischen Anordnung nach Figur 16e vorgenommen wird. Das ist in Figur 16f dargestellt. Diese Anordnung kann mit einem internen Tiefen- Scan oder auch einen externen Scan werden. Oder mit Tiefenscan oder Lateralscan eines bewegten Objekts bei stillstehender Anordnung. Der Vorteil der zweiseitigen Beleuchtung und zweiseitigen Detektion ist, dass auch senkrechte Flächenbereiche eines Messobjekts 6 angemessen werden können. Bei einem Abbildungsmaßstab der Projektionsstufen beta strich P und der Detektionsstufen beta_strich_D jeweils vom Betrag eins, bleiben auch hier die Schärfeebenen im Tiefenscan für alle Strahlengänge stets gekoppelt, da APAl und APA2 sowie ADA 1 und ADA2 jeweils um 15° zur Translationsachse TA geneigt sind. Auch hier ist die konfokale Bedingung eingehalten, da die Verschiebstrecken optisch konjugiert sind, d.h., die Phase am Schwerpunkt ist im Idealfall immer dieselbe. Jedoch zielen die BA O- S trecken nicht in das Zentrum der Pupille, sondern schief, da ein Winkel von 15° zwischen der Translationsachse und TA und der optischen Achse ADA besteht. Deshalb muss es eine Pixel- Nachverfolgung geben, so dass mit einem virtuellen Pixel gearbeitet wird, welches im Tiefenscan dem Abbildungsstrahl durch Rechnung zugeordnet ist. Für ein vergleichsweise kleines Feld von z.B. 8mm Durchmesser kann eine numerische Apertur NA PO=0,08 erreicht werden. So kann eine Halbzoll-Kamera genutzt werden. Die numerische Apertur des Proj ektionsstrahlcngange s NA DO kann ebenfalls NA DO =0,08 betragen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel (7) auf der Basis von Figur 16f ohne Figur besitzt jeder Teilstrahlengang seinen eigenen Translationsschlitten 81. In einem Ausführungsbeispiel nach Figur 16g gibt es eine externe Objekt-Querbewegung mit Fokussierung. Bei einem Ausführungsbeispiel nach Figur 16f sind die Schärfeebenen gekreuzt. Auch hier besteht der Vorteil, dass auch senkrechte Flächenbereiche angemessen werden können.
In einem anderen Ausführungsbeispiel (8) auf der Basis von Figur 16g ohne Figur besitzt jeder Teilstrahlengang seinen eigenen Translationsschi ittcn 81.
Figuren 17 und 18 zeigen jeweils beispielhafte Triangulationsanordnungen mit einem internen Tiefenscan, wobei im Projektionsstrahlengang mindestens zwei Planspiegelflächen in Form eines 90°-Winkelspiegels oder Pentaprismas 4131 , 4132 angeordnet sind. In der Figur 17 beträgt der Betrag des Abbildungsmaßstabes beta_strich für die Projektionsstufe Betrag(beta__strich_P)=0,5. Aus dem Einsatz eines 90°-Pentaprisma 4131, 41 32 ergibt sich der Ablenkwinkel delta zu 90°. Damit die Bilder BS_0 im Objektraum der Strecken der Verschiebung BS A mit den Strecken AS O im Objektraum zusammenfallen, um die konfokale Bedingung zu erfüllen, muss die Relation für den Abbildungsmaßstab beta_strich und den Triangulationswinkel beta
Betrag(beta strich_P) = tan2(beta) eingehalten werden.
Somit ergibt sich aus dieser Relation ein Triangulationswinkel von 35,3°. Damit auch die Schärfeebenen im Tiefenscan stets zusammenbleiben, muss der Betrag des Abbildungsmaßstabes für die Detektionsstufe angepasst werden. Dieser beträgt hierbei um 0,6. Die numerischen Aperturen im Objektraum betragen NA_PO=0,5 und NA DO=0,033. Die Neigung des Liniengitters ergibt sich bei dieser Geometrie aus der Scheimpflug-Bedingung dann zu 19,5°. Die Liniengitter 21 und 25 weisen hier eine Gitterperiode von 60μηι und die Liniengitter 22 und 26 eine Gitterperiode von 72μηι auf. Durch die Wahl von Triangulationswinkel, Umlenkung mit Pentaprisma und Wahl der Abbildungsmaßstäbe ist also mit Vorteil erreicht, dass die Schärfeebenen im Tiefenscan stets im Tie enscan koinzidieren. Das wird durch das Matching der Tiefen- Abbildungs-Maßstäbe von Projektions- und Detektionsstrahlengang erreicht, die hier etwas verschieden sind. Es ist nicht von Vorteil, wenn bei profilierten Objekten die numerische Apertur NA D iel größer als die numerische Apertur P-NA ist, da dann ein Objektpunkt „verwaschen" wird. Am besten für die sich hierbei ergebende laterale Auflösung für das Messobjekt ist, ein möglichst feines Liniengitter einzusetzen, und die numerische Apertur NA PO deutlich höher als die numerische Apertur NA DO zu wählen. Dann ist die Ausdehnung des Wavelets in der Tiefe recht begrenzt und auch der Speckle-Einfluss reduziert sich weiter. Bei klassischen Formobjekten mit wenig feinen Profilstrukturen ist dies aber eher unkritisch. Der Einsatz feinerer Liniengitter erfordert jedoch eine höhere mechanische und thermische Stabilität des Aufbaus. Wird das Liniengitter zu fein gewählt und ist die mechanische und thermische Stabilität des Aufbaus nicht gegeben, ist die Phase am Schwerpunkt nicht konstant und es muss häufig eine Neubestimmung der Referenz- Phasen am Schwerpunkt der Einhüllenden erfolgen. Die Konstanz der Phase am Schwerpunkt unabhängig von des Tiefenlage eines Objektpunktes - als positives Resultat des Einhaltens der konfokalen Bedingung - ist also auch ein Kriterium zum Testen der mechanischen und thermischen Stabilität des Aufbaus. Es soll über die Zeit nach einer Einlaufzeit kein „Weglaufen" der Phase am Schwerpunkt auftreten. Dies kann durch eine Konstruktion, erstellt unter den Gesichtspunkten der Mechanik und Wärmelehre, unter Verwendung thermischer Kompensationen der Materialausdehnung erreicht werden.
Das Ausführungsbeispiei nach Figur 18 basiert auf der geometrischen Ausbildung des Ausführungsbeispiels 17. Dies führt bei demselben Betrag des Abbildungsmaßstabes für die Projektionsstufe Betrag(beta_strich_P)=0,5 und dem Einsatz eines 90°-Pentaprisma gemäß der Relation
Betrag(beta strich P) = Quadrat[tan(beta)] für den Abbildungsmaßstab beta strich und den Triangulationswinkel beta bei 90°-Ablenkung ebenfalls zu einem Triangulationswinkel von 35,3°. Damit auch die Schärfeebenen im Tiefenscan stets zusammenbleiben, muss auch hier der Betrag des Abbildungsmaßstabes für die Detektionsstufe um 0,6 betragen. Eine deutlich höhere Apertur als im Ausführungsbeispiel nach Figur 17 im Projektionsstrahlengang von NA PO= 0,075 führt hier zur sinnvollen Nutzung nur jeweils eines Liniengitters in jedem Projektionsstrahlengang. So werden hier nur das Liniengitter 21 und das Liniengitter 26 verwendet. Es treten etwa 1 1 ,5 Perioden unter der Einhüllenden auf, was die bekannten 2Pi-Phasensprünge bei kooperativen, kanten freien Messobjekten nicht auftreten lässt. Die höhere Apertur schafft auch Vorteile hinsichtlich der Lichtmenge, ermöglicht ein vergleichsweise schnelles Messen, führt aber zu aufwendigeren optischen Abbildungsstufen mit in der Regel einer höheren Verzeichnung und nicht perfekter
Telezentrie derselben, so dass bei erheblichen Verzeichnungen das Kalibrieren aufwendiger wird. Die Figur 19 stellt eine Triangulationsanordnung mit einem externen Tiefenscan mit zwei Liniengittern dar. Das Liniengittern 21 besitzt eine Gitterperiode pd l von ρά \ -50μτη und das Liniengitter 24 ist ein vergleichsweise grobes Liniengitter mit einer Gitterperiode von 300μιη. Das Hauptziel ist hierbei, schnell zu einem Messergebnis zu kommen. Es wird das Prinzip der spektralen Trennung der Kanäle genutzt, so dass beide Liniengitter 21 und 24 gleichzeitig in den Objektraum projiziert werden. Die Kaltlichtquellen 1 10 und 113 sind gleichzeitig eingeschaltet und so werden das kurze und das lange Wavelet gleichzeitig aufgenommen. Es ist eine 2-Chip-Farbkamera 74 mit einem Bandpass-Farbteiler für die Transmission von eyanfarbigem Licht und die Reflexion von Licht außer der Farbe Cyan angeordnet sowie mit einem Chip 741 für das gefilterte, strukturierte eyanfarbige Licht und mit einem RGB-Chip 742 mit Bayer-Filter für weißes, eher unstrukturiertes Licht angeordnet. Wenn sowohl die Struktur des feinen Liniengitters 21 als auch die Struktur des groben Liniengitters 24 auf einem Quarz- Substrat aufgebracht sind, dann erfolgt die Justierung der Schärfe allein mittels des feinen Liniengitters 21 . Die Kontrastfunktion des groben Liniengitters 24 wird nicht ausgewertet. Nur die Kontrast unktion vom feinen Liniengitter 21 wird ausgewertet.
Die Figuren 20 und 21 stellen das feine 21 und das grobe Liniengitter 24 für die Anordnung nach Figur 19 dar. Hierbei sind die beiden Liniengitter in der Mitte des Messbereichs in Phase. Durch den Ansatz mit der spektralen Trennung tragen das feine 21 und das grobe Liniengitter
24 gleichzeitig zur strukturierten Beleuchtung des Messobjekts 6 bei.
Die Figuren 22 und 23 stellen die sich ergebenden Wavelets für ein feines 21 und ein grobes Liniengitter 24 dar. Gezeigt wird eine Situation in der Mitte des Messbereichs. Durch den Spektralansatz aus Fig. 19 wird jedes Wavelet aus seinem separaten Bilderstapel extrahiert. Die Figuren 24a bis 24d zeigen in Analogie zu den Figuren 8a bis 8e die Verhältnisse für ein grobes Liniengitter mit der Gitterperiode p_2_g. Auch hier gibt es im Bereich der großen Modulation im Wavelet Wl, erzeugt mittels des ersten Liniengitters, nur ein Phasenpaar der beiden Liniengitter, welches zur Referenzmessung passt. Die Modulation aus dem groben Wavelet W2 wird hier gar nicht ausgewertet, da die Einhüllende viel zu breit ist.
Erfahrungsgemäß treten auch unter extremen Bedingungen keine Ablagen delta_z_nicht koop an gemessenen Wavelets auf, die mehr als +/- 0,16 FW_00 betragen. Demzufolge reicht in der Regel ein Eindeutigkeitsbereich EDB von +/- 0,2 FW 00 bei den in den Figuren 2 bis 23 dargestellten Anordnungen aus. Mit einem Bereich von +/- 0,2 FW 00 nähert man sich ja bereits dem Wert der Halbwertsbreite des Wavelets. Der Eindeutigkeitsbereich EDB entspricht dem Fangbereich für das Ermitteln also„Einfangen" des„richtigen" Phasenpaares, dessen Phasen-Relation in der Referenzmessung bestimmt wurde.
Figur 25 zeigt eine Triangulationsanordnung mit einem internen Scan Anordnung mit einem in der Blendenebene angeordneten ferro-elektri sehen Flüssigkristall 54, der als eine steuerbare Blende dient. Die mittels diesem erzeugbare Verschiebung v_BZ des Blendcnzentrum ist in den Details 25.1 und 25.2 dargestellt. Der Betrag des Abbildungsmaßstabes beträgt eins. Die Bilder BS O und AS O der Verschiebestrecken im Array-Raum BS Λ und AS A fallen im Objektraum zusammen und nach einmaliger Justierung sind die Schärfeebenen im Objektraum im Tiefenscan stets gekoppelt, was eine gute Voraussetzung bildet, mit dem Wavelet-Ansatz zu arbeiten, da sich dann die Phase in Tiefe nicht oder kaum ändert. Mittels des ferro- elektrischen Flüssigkristalls 54 lässt sich das Blendenzentrum verschieben, was über die Variation des Triangulationswinkels die Triangulationswellenlänge und letztlich auch das die Periode pw l und pw_2 in den Wavelets beeinflusst, wie in den Figuren 26 und 27 dargestelt. Die Figuren 2 und 27 zeigen die schon aus den Figuren 5 und 6 bekannten Wavelets Wl SLM und W2 SLM, die im Tiefenscan auch hierbei entstehen. Die Auswertung der Wavelets entspricht der B eschreibung zur Figurengruppe 8 sowie den Darstellungen in der Figurengruppe 8.
Die Triangulationsanordnung nach Figur 28 ist mit einem internen Tiefenscan ausgebildet, der „fliegend" durchgeführt wird. Der Triangulationswinkel beträgt beta-45°, wodurch sich hier ein Ablenkwinkel von delta=beta=45 "ergibt. Diese Strahlablenkung um den Winkel delta wird mittels je einer Zwei-Spiegel- Winkelspiegelgruppe 44 und 45 realisiert. Der Projektionsstrahlengang ist un gefaltet und steht senkrecht auf der Schärfefläche F PD. Dadurch sind die optischen Achsen APA und ADA1 sowie ADA2 im Array-Raum Parallelen. Die Differenz der Planspiegel flächen zwischen dem Pro jektions- und dem Detektionsstrahlengang ist hier gleich zwei, wodurch sich eine weitgehende Kompensation der Querführungsfehler des Translationsschlittens 81 ergibt. Die Detektion des Messobjekts 6 erfolgt beidseitig mittels vergleichsweise großer monochromer Kameras 73. Ein Vorteil des internen Tiefenscans wird hier erkennbar: Es kann mit zwei Kameras beobachtet werden, wobei die Bilder sich auf der Kamera beim internen Tiefenscan nicht lateral verschieben. Mittels des Flüssigkeits-Displays 231 werden zwei Liniengitter-Strukturen abwechselnd geschaltet. Bei einem externen Tiefenscan und zwei Kameras zur Detektion mit zueinander geneigten Strahlachsen gibt es stets eine Lateralverschiebung des Bildes mindestens auf einer Kamera.
Die Perioden der auf dem räumlichen Lichtmodulator (SLM) 23 gezeigten Liniengitter sind in Schwebung und weisen hier 12 Pixel und 16 Pixel pro Gitterperiode auf. Der Pixel-Pitch beträgt 6,8μιη. Somit beträgt ρ_1 =81 ,6μπι und p 2 ίΗ 08,8μιη. Der Betrag des Abbildungsmaßstabes des telezentrischen Projektionsstrahlenganges ist beta_strich_P=0,25 und der Betrag des Abbildungsmaßstabes der telezentrischen Detektionsstrahlenganges ist gemäß Gleichung (2) beta_ strich P=0,21. Es wird im Tiefenscan eine abwechselnde Projektion einer ersten und einer zweiten Liniengitter-Struktur durchgeführt. Gestartet wird mit der Lage der Linicngitter- Slrukturen gemäß Figur 29, wo auf der Referenzzeile Rz jeweils die Phase null liegt, als ein lntensitätsmaximum eines hellen Streifens. In Figur 29 stellt die Farbe schwarz das Intensitäts- Maximum dar. Zwischen jeder Bildaufnahme wird die Tiefenlage von SLM 23 und Kamera 73 jeweils um l/[8*(p_l+p 2 i) verstellt bis der Streifenkontrast gegen null geht. Das entspricht hier einer Tiefenverstellung zwischen zwei Bildaufnahmen von 23,8μτη. Für jede neue Bildaufnahme des Liniengitters 1 oder 2 wird eine Gitterstruktur eingeschrieben, deren Phasendifferenz Pi/2 (90°) zur vorherigen derselben Gitterstruktur beträgt. So sind die Intensitätswerte gegeben, um die Phasenlage für jedes Pixel mehrfach und auch den Kontrast mehrfach zu bestimmen, um schließlich für jeden Pixel auch die Streifenordnung bestimmen zu können. Dazu kann der bekannte 5-Phasen-Auswerte-Algoritiimus nach Schwider- Hariharan oder beispielsweise ein 7-Step- Algorithmus nach Peter de Groot mit Vorteil verwendet werden. Dieser ist im Fachartikel [7]„Derivations of algorithms for phase-shifting interferometry using the coneept of a data-sampling window" auf Seite 4727 angegeben, der in der Fachzeitschrift Applied Optics 34 (22), 4723-4730 (1995) veröffentlicht ist. Der dort beschriebene 7-Step-Algorithmus ist neben konstanten Phasenstell-Fehlern auch weitestgehend unempfindlich gegenüber dem Einfluss durch Abfall des Kontrasts durch Defokussierung, wie es bei den hier beschriebenen Wavelets der Fall ist.
Andererseits kann auch eine Folge von Bildern im Hinlauf mit Tiefen schritten von (p_2_f)/4, was hier 27,2μηι entspricht, erfolgen. Dabei gibt es nur die Projektion der zweiten Liniengitter- Struktur. Das geschieht jeweils mit einem Phasenschritt zwischen den Bildaufhahmen von jeweils Pi/2 für diese zweite Liniengitter-Struktur, was hier eine Verschiebung der Liniengitterstruktur um 4 Pixel, bedeutet. Dann erfolgt im Rücklauf mit Tiefcnschritten von (p l )/4, was hier 20,4μιτ» entspricht, nur die Projektion der ersten Liniengitter- Struktur. Das passiert jeweils mit einem Phasenschritt zwischen den Bildaufnahmen von jeweils Pi/2 für diese erste Linien gitter-Struktur, was hier eine Verschiebung der Liniengi tterstruktur um 3 Pixel bedeutet. Aus den beiden Bilderstapeln können pixelweise Signale extrahiert werden, die Abtastpunkte eines Wavelets darstellen. Die Auswertung erfolgt dann Wavelet-basiert. Es können auch Winkelspiegelprismen 448 und 458 , dargestellt in den Details 28.1 und 28.2, eingesetzt werden, wobei die Bildverschiebung durch deren Glasweglängen beim Optik-Design zu berücksichtigen sind. Zur Kalibrierung der Anordnung wird vor der Objektmessung eine Referenzmessung mittels einer ebenen gut lichtstreuenden Platte in verschiedenen Objekttiefen durchgeführt. Die Figur 29 zeigt das Display eines Flüssigkristall-Displays 23 (als Beispiel eines räumlichen Lichtmodulators) für die Anwendung in einer Anordnung nach Figur 28. Dargestellt sind die beiden - zu unterschiedlichen Zeiten tl und t2 - eingeschriebenen etwas unterschiedlichen Lini engitter- Strukturen zu Beginn der Messung, diejeweils symmetrisch zu einer Referenzzeile Rz sind. Auf der Referenzzeile liegt das Maximum eines Streifens, der für jede der beiden Liniengitter-Strukturen den Referenzstreifen darstellt. Dies ist unabhängig davon, ob es an dieser Stelle auch ein Objekt gibt. Es wird stets die Feinphase für die belichtbaren Pixel in dieser Lage der Liniengitter-Strukturen bestimmt. Diese Lage entspricht also dem 3. intensitätswert beim oben genannten 5 -Phasen- Auswerte- AI gorithmus nach Schwider- Hariharan oder dem 4. Intensitätswert beim oben genannten 7-Step- Algorithmus [7] nach Peter de Groot. Oder bei einem (2n * 1 )- Phasenschi ebe- Algorithmus mit n=l, 2, 3, 4, 5 jeweils dem Intensitätswert (n+ 1 ). In einem anderen Ausführungsbeispiel (9) ohne Figur können auch weitere Liniengitterstrukturen in das Flüssigkristall-Displays 23 eingeschrieben werden, beispielsweise eine dritte Liniengitter-Strukturen in Schwebung zu der ersten und zweiten Liniengitter- Struktur, die mit Vorteil jeweils mit einem Intensitätsmaximum der Liniengitter-Struktur auf der Referenzzeile Rz liegen, also symmetrisch zu den übrigen Streifenmustern. Eine dritte Liniengitter-Struktur kann die Zuverlässigkeit der Auswertung noch erhöhen, die dann gegebenenfalls auch ohne die Information zum Streifenkontrast auskommen kann. Jedoch ist dieser Ansatz deutlich zeitaufwändiger als der Ansatz mit Nutzung der Kontrastinformation in den Intensitätsdaten. Auch das Einschreiben einer Gray-Code-Struktur in das Flüssigkristall- Display 23 ist neben dem Anwenden einer ersten feinen Liniengitter-Struktur machbar.
In der Figur 30 wird eine Tri angu I ationsanordnung mit einem internen Tiefenscan präsentiert, bei welcher der Triangulationswinkel 45° beträgt. Im Proj ekti onsstrahlengang ist eine Winkelspiegel-Anordnung 47 mit zwei Planspiegeln 471 , 472 angeordnet, welche den Strahlengang um 45° umlenkt. Der Detektionsstrah I engang ist ungefaltet und so sind die optische Achse des Projektionsstrahlcngangcs APA und die optische Achse des Detektionsstrahlengangs APO im Array-Raum Parallelen und der Detektionsstrahlengang steht senkrecht auf der Schärfefläche F PD. Dagegen ist die Achse des Projektionsstrahlenganges im Objektraum geneigt. Der räumliche Lichtmodulator 23 ist, um die Scheimpllug-Bedingung zu erfüllen, ebenfalls geneigt. So sind die Schärfeflächen von P und d im Objektraum stets parallel. Durch die Wahl der Größe der Abbildungsmaßstäbe von Projektion und Detektion beta strich P und beta strich D fallen die Schärfeflächen nach Justierung der Anordnung in der Ebene F PD zusammen. Dies gilt für den gesamten Tiefenscan-Bereich, für den jedoch die strenge Telezentrie der Optik auch bestehen muss.
Die Anordnung nach Figur 31 mit einem internen Tiefensean basiert zum Teil auf Anordnung 16a. In der Figur 30 wird ein rechnergesteuert drehbares Liniengitter 27 mit der Gitterperiode p=60 μιη eingesetzt, das aus der Normallage, mit 90°-Anordnung der Gitterlinien zur Triangulationsbasis, um den Drehwinkel psi im Uhrzeigersinn herausdrehbar ist.
So ergibt sich für die erste Liniengitter-Drehposition ein Drehwinkel von beispielsweise psi_l gleich 40. So ist die effektive Gitterperiode um l/cos40° gegenüber der Normallage auf ρ_1=60/οο840°=78,32μιη vergrößert. Es wird mit diesem rechnergesteuert drehbaren Liniengitter 27 ein erster Tiefenscan durchgeführt und ein Wavelet W l aufgenommen (siehe dazu auch Figur 8d). Nach diesem Tiefenscan wird das Liniengitter 27 mittels einem rechnersteuerbaren Antrieb 92 für die Drehverstellung etwas weiter gedreht, beispielsweise um den Winkelbetrag von 10°, so dass sich ein Winkel alpha 2 gegenüber der Normallage nun zu 50° einstellt. So ergibt sich eine andere effektive Periode des Liniengitters, die dann p_2_f-p/cos50°=93 ,34 μηι beträgt. So kann eine erste feine Gitterperiode p_ 1 =78,32 μηι und anschließend eine zweite Gitterperiode p_2_f -93,34 μηι dargestellt werden und das oben beschriebene Verfahren angewendet werden, indem nun ein zweiter Tiefen sc an mit der Stellung des rechnergesteuert drehbaren Liniengitters 27 von psi-50°, vorzugsweise im Rücklauf des Tiefenscans durchgeführt wird und ein zweites Wavelet W2 aufgenommen wird, das nun etwas im Vergleich zum ersten Wavelet Wl in diesem beschriebenen Fall etwas gedehnt ist. Dabei gilt, dass die erste effektive Gitterperiode p_l hier stets die kleinere der beiden Gitterperioden darstellt. Die beiden Positionen mit den Drehwinkeln psi 1 =40° und psi_2=50° können durch mechanische Anschläge 88 und 89 mit Magnetkraft im Sinne einer bistabilen, robusten mechanischen Konstruktion mit Drehlagerung - zumindest im Teilbereich des Vollkreises - hochgenau realisiert werden. Zu dieser Konstruktion mit Drehlagerung gehört der rechnersteuerbarer Antrieb 92, an den keine Genauigkeitsforderungen gestellt werden müssen, da dieser nur mit etwas Lose das Drehen möglichst schnell durchführt. Das Anlegen an die endgültige Position erfolgt mittels Magnetkraft. Die beiden Drehwinkel-Positionen sollen möglichst genau reproduzierbar zumindest für die Zeit zwischen zwei Kalibrierungen gesichert werden. Von Vorteil bei der Wavelet-basierten Auswertung ist, dass die jeweilige effektive Triangulationswellenlänge nicht exakt bekannt sein muss, wenn eine Kalibrierung durchgeführt wird. Die Referenz für das Messen stellt der Translationsschlitten 81 dar, dem ein hochpräziser Schrittmotorantrieb zugeordnet ist. Das Übersprechen in den jeweils anderen Proj ektionsstrahlcngang wird durch Nutzung verschieden farbiger Lichtquellen 113a und 114a verhindert. Es ist eine grüne Lichtquelle 113a links und eine eyanfarbige Lichtquelle 114a rechts angeordnet. Jedem Proj ektionsstrahlengang ist ein Bandpassfilter 36 beziehungsweise 37 zugeordnet, der das Licht aus der zugeordneten Lichtquelle passieren lässt und Licht aus dem gegenüber liegenden Kanal sperrt. In zwei Hinläufen und zwei Rückläufen mit einer Verdrehung des rechnergesteuert drehbaren Liniengitters 27 nach dem ersten Rücklauf und vor dem zweiten sind je zwei Bilderstapel aufgenommen, aus denen sich zwei Wavelets Wl und W2 mit etwas unterschiedlicher Wavelet-Periode pw_l und pw 2 für jeden Projektionsstrahlengang ergeben. Es kann die Verstellung des rechnergesteuert drehbaren Liniengitters 27auch nach jedem Lauf erfolgen, so dass die Aufnahme der zwei Bilderstapel für jeden Projektionsstrahlengang unmittelbar nacheinander erfolgt und der jeweils andere Projektionsstrahlengang unbeleuchtet bleibt.
In einem anderen Ausfuhrungsbeispiel ( 10) wird mit einer grünen Lichtquelle 1 13a links und einer cyanfarbigen Lichtquelle 114a rechts und einer Zwei-Chip-Farbkamera 75 gearbeitet, die es durch einen vorgeordneten Farbstrahlteiler gestattet, in den beiden Spektralkanälen grün und cyan gleichzeitig zu messen, ohne dass es ein merkliches Übersprechen zwischen beiden Kanälen gibt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel (1 1 ) ohne Figur, basierend auf der Anordnung nach Figur 31 , jedoch ohne Translationsschlitten 81 und Antrieb 91 , wird ein externer Tiefenscan durchgeführt, indem die gesamte Triangulationsanordnung am Schlitten einer Koordinaten- Messmaschine bewegt wird und die Längen -Messsysteme der Koordinaten-Messmaschinc dann die Weg-Referenz darstellen.
Die Figuren 32 und 33 stellen eine Drehgitter-Anordnung in den beiden Drehstellungen 40° und 50° des Liniengitters 27 dar. Die Magnetanschläge 88 und 89 mit moderater Magnetkraft definieren jeweils hochgenau die Winkelposition. Der rechnersteuerbare Antrieb 92 für die Drehverstellung des Liniengitters 27 mit etwas Lose oder Spiel muss nur grob mit Spiel positionieren, da die Magnetkraft genügend anziehend wirkt, und dann wieder die Kraft zur Ablösung aufbringen, wenn die andere Drehposition angefahren werden soll. Zur besseren Sichtbarkeit in der Darstellung in den Figuren 32 und 33 sind in der Mitte des Liniengitters 27 einige Linien weggelassen worden.
Weitere Beispiele betreffen eine Anordnung und ein Verfahren zur tiefenscannenden Streifen- Triangulation mit interne oder externem Tiefenscan, insbesondere auch für die 3D- Gestaltmessung in Mikroskopie und Mesoskopie. Die Anordnung und das Verfahren ermöglichen es, insbesondere die Robustheit der Messung mit Wavelet-Signal-Erzeugung aus einem ßilderstapcl zu vergrößern. Ferner soll das Auftreten der bekannten und sehr unerwünschten 2Pi-Phasensprünge in der Phasenkarte weitestgehend vermieden werden. Dazu werden bei einer Messung anstelle eines Wavelets mindestens zwei Wavelets mit Kontrasteinhüllender erzeugt. Dies erfolgt durch eine zeitgleiche - dann vorzugsweise mit spektraler Trennung - oder durch eine sequentielle Projektion von zwei Streifenbildern mit unterschiedlicher Triangulationswellenlängen auf das Messobjekt.
Des Weiteren werden geometrisch-optische Triangulations-Anordnungen mit Spiegelpaaren vorgeschlagen, die eine Invarianz der Strahlablenkung im Sirahlengang aufweisen. Durch den Einsatz dieser Spiegelpaare kann der Einfluss eines lateralen Führungsfehlers eines Trans latio nssystems bei einem internen Tiefenscan reduziert werden. Gleichzeitig kann dadurch die optische Weglänge im optischen Strahlengang vergrößert werden. Dies verlängert die Brennweiten telezentrischer Objektive und ermöglicht somit beim Optik-Design eine gute Annäherung an den Fall perfekter Telezentrie, ohne den Bauraum der Anordnung wesentlich auszudehnen.
Auflistung der genutzten Formelzeichen und Fachbegriffe
Figure imgf000106_0001
Abbildungsmaßstab in den achssenkrechten Flächen
(Lateralgröße, Y-Achse)
beta strich
Der Abbildungsmaßstab bestimmt sich in der gesamten Schrift stets aus dem Quotienten Y_ Array-Raum zu Y Objektraum.
Abbildungsmaßstab in den achssenkrechten Flächen
(Lateralgröße, Y-Achse) bei der Projektion, gerechnet vom beta_strich_P
Array-Raum, wo das Liniengitter steht, in den Objektraum, (Y Array)/(Y Objekt)
Abbildungsmaßstab in den achssenkrechten Flächen
(Lateralgröße, Y-Achse) bei der Detektion, gerechnet vom beta strich D
Array-Raum, wo der Kamera-Chip steht, in den Objektraum (Y ArrayMY Objekt)
BS_A Strecke BS A der Verschiebung des Liniengitters
Bild der Strecke BS A des Liniengitters im Objektraum
BS O BS 0 fällt bei Einhaltung der konfokalen Bedingung mit der
Strecke AS O im Objekt-Raum zusammen.
Strecke BS_Aj der Verschiebung eines Elements j des
BS Aj
Liniengitters
Das Bild der Strecke BS Aj der Verschiebung eines Elements des Liniengitters im Objektraum
BS_Oj BS Oj fällt bei Einhaltung der konfokalen Bedingung mit einer
Strecke AS Oj (Bild der Strecke der Verschiebung eines Pixels j) der Verschiebung im Objekt-Raum zusammen.
BZ_l (tl ) Blendenzentrum 1 der Detektion zum Zeitpunkt tl
BZ_2(t2) Blendenzentrum 2 der Detektion zum Zeitpunkt t2
CE Kontrasteinhüllende
CE_0 Kontrasteinhüllende einer Objektmessung
symmetrische Kontrasteinhüllende einer Objektmessung für
CE O symm i
einen Objektpunkt i
asymmetrische Kontrasteinhüllende einer Objektmessung für
CE_0__asymm_i
einen Objektpunkt i
Kontrasteinhüllende einer R ef erenzmessung, Diese sollte
CE_R
zumindest näherungsweise stets symmetrisch sein.
CoG Center of Gravity (Schwerpunkt der Kontrasteinhüllenden)
Ablenkwinkel im Strahlengang bzw. Gesamtablenkwinkel delta
(„Knickwinkel" der optischen Achsen)
mechanische Verschiebung des Transl ationsschl ittens 80 oder delta z T
81
Ablage des Schwerpunkts (CoG) von der Mitte des Wavelets delta z CoGJkoop MW i
eines koop Messpunktes, delektiert durch Pixel i
delta z CoG nicht- Ablage des Schwerpunkts (CoG) von der Mitte des Wavelets koop MW i eines nichtkooperativen Messpunktes, detektiert durch Pixel i
Figure imgf000108_0001
Figure imgf000109_0001
Figure imgf000110_0001
Figure imgf000111_0001
S_0_i Signal von einem modulierten Pixeln i aus einer Objektmessung
Signal von einem schlecht modulierten Pixeln i, welches nicht
S R out i
weiter verwendet wird.
Signal von einem modulierten Pixeln i aus einer
S_R_i
Referenzmessung
S_0_i Signal von einem modulierten Pixeln i aus einer Objektmessung
Signal von einem schlecht modulierten Pixel i aus einer Referenzmessung, welches nicht weiter verwendet wird.
S R outJ So ein Signal sollte es an einem kooperativen
Referenzmessobjekt nicht geben. Dieses kann nur bei
Verschmutzungen auftreten.
Signal von einem modulierten Pixeln i aus einer
S_R_i
Referenzmessung
Schnittpunkt von Scheimpflug-Geraden,
Dabei sind die Einflüsse von Glasweglängen in den
S Scheimpfiug
Strahlengängen in der zeichnerischen Darstellung
vernachlässigt.
Vorschubrichtung des bewegten Löt-Bumps 63, senkrecht zur
V
optischen Achse ADO
Ein virtuelles Pixel ist durch einen feststehenden Strahl eines Detektionssystems bestimmt und definiert im Tiefenscan das jeweilige Pixel auf dem Detektor. Zeitweise ist ein virtuelles Pixel mit einem realen identisch bis es sich auf dem gerasterten Detektor zum nächsten realen Pixel„weiterbewegt".
VP
Ein virtuelles Pixel ist durch einen auch im Tiefenscan feststehenden Strahl der Abbildungsstufe eines
Detektionssystems bestimmt und definiert im Tiefenscan das jeweilig aktuelle Pixel auf dem Detektor -jedoch nur für einen meist kleinen Teil-Bereich des Tiefenscans.
Ein Wavelet stellt hier Intensitätswerte dar und wird aus dem
Wavelet Pixel eines Bilderstapels gewonnen, das ein reales oder ein
virtuelles Pixel sein kann.
v BZ Verschiebung des Blendenzentrums
Wl feines erstes Wavelet mittels feinem Liniengitter 21 erzeugt
W2 feines zweites Wavelet mittels feinem Liniengitter 22 erzeugt synthetisches Wavelet, wird durch Rechnung als Schwebungs- Wavelet aus den feinen Perioden pw 1 und pw_2_ f erzeugt,
W12
definiert über dessen Periode den Eindeutigkeitsbereich
EDB 12
WO__i Objekt-Wavelet mittels Pixel i erzeugt
Objekt- Wavelet von einem kooperativen Objektpunkt i mittels
WO_koop_i
Pixel i erzeugt. Das Wavelet ist symmetrisch.
Objekt-Wavelet von einem nicht-kooperativen Objekt
WO nicht-koop i
Das Wavelet ist dann asymmetrisch.
erstes Rcfcrenz-Wavelet mittels erstem Liniengitter (21 ) und
WR_l_i
mittels Pixel i erzeugt zweites feines Referenz- Wavelet mittels zweitem Liniengitter
WR_2_f_i (22) und mittels Pixel i erzeugt
zweites Referenz-Wavelet mittels zweitem grobem Liniengitter
WR_2_g_i
(24) und mittels Pixel i erzeugt
z Tiefenkoordinate im Objektraum
z_M Tiefe des Messbereichs
Tiefenposition des Schwerpunkts der Kontrasteinhüllenden z_CoG i
mittels Pixel i erzeugt
Tiefenposition des Schwerpunkts der Kontrasteinhüllenden vom z CoG l i ersten Liniengitter 21 mit der Periodenlänge p_l mittels Pixel i erzeugt
Tiefenposition des Schwerpunkts der Kontrasteinhüllenden vom z_CoG 2J zweiten Liniengitter 22 mit der Periodenlänge p 2 f mittels
Pixel i erzeugt
Tiefenposition des Messpunktes i,
z O = z_l_O i
Diese wird vorzugsweise aus dem ersten Wavelet Wl ermittelt. z_S Scanweg
Bezugszeichenliste mit Erläuterungen
Bezugszeichen Bezeichnung
rechnergesteuerte gepulste grün-farbige Lichtquelle, leuchtet im Wechsel
101
mit 102 oder 108
rechnergesteuerte gepulste grün-farbige Kaltlichtquelle, leuchtet im Wechsel
102
mit 101
Kaltlichtquelle in den Farben rot und blau, ständig eingeschaltet im
103
Tiefenscan
104 grün-farbige Kaltlichtquelle, die permanent eingeschaltet ist
rechnergesteuerte gepulste grün-farbige Lichtquelle, leuchtet im Wechsel
107
mit 108
rechnergesteuerte gepulste grün-farbige Lichtquelle, leuchtet im Wechsel
108
mit 107 oder 101
110 weiße Lichtquelle, permanent eingeschaltet
Lichtquelle mit starkem Spektralanteil bei 580nm und Rotanteil, wird im
111
Wechsel geblitzt mit Lichtquelle 1 12
Lichtquelle mit starkem Spektralantei! bei 520nm und Blauanteil, wird im
112
Wechsel geblitzt mit Lichtquelle 111
113 grün-farbige Kaltlichtquelle, die permanent eingeschaltet ist i
grün-farbige Kaltlichtquelle, die permanent beim Tiefenscan im Hinlauf
113a
eingeschaltet ist
114 eyan-farbige Kaltlichtquelle, die permanent eingeschaltet ist
Figure imgf000114_0001
afokalen Abbildungsstufe zur Projektion 41
Figure imgf000115_0001
Figure imgf000116_0001
räumlicher Lichtmodulator (Spatial Light Modulator ), der als ferro- elektrisches Flüssigkeits-Display ausgebildet ist und eine steuerbarere telezentrische Blende in einer Abbildungsstufe 41 zur Projektion darstellt. linker Durchlassbereich der steuerbareren tclczentrischen Blende 54 in der
Abbildungsstufe 41 zur Projektion.
rechter Durchlassbereich der steuerbareren teiezentri sehen Blende 54 in der Abbildungsstufe 41 zur Projektion.
Messobjekt
Messobjekt mit kooperativem Messpunkt
Messobjekt mit nicht-kooperativem Messpunkt
Löt-Bump
1 -Chip-Farbkamera, hier mit Bayer-Mosaik, grüne Pixel detektieren die Streifen, rot und blau wird für die Objektfarbe detektiert
Chip der Farbkamera 71 , hier mit Bayer-Mosaik, grüne Pixel detektieren die Streifen, rot und blau wird für die Objektfarbe aufgenommen
Farbkamera mit 2 Kamera-Chips und einem Bandpass-Farbteiler für die Transmission im Bereich von 520nm bis 580nm und synchronisiert mit den Lichtquellen 1 1 1 und 1 12
So besteht ein Kanal ( 1 ) mit Bandpass für die Transmission von 52ünm bis 580nm und einem Kanal (2) mit Bandsperre für den Bereich von 520nm bis 580nm und Durch lass im übrigen VIS-Bcrcich.
erster Monochrom-Chip der 2-Chip-Kamera, s. Det. 12.2
zweiter Monochrom-Chip der 2 -Chip-Kamera, s. Det. 12.2 ί monochrome Kamera
Chip der monochromen Kamera 73
2-Chip-Farbkamera mit einem Kanal mit Bandpas s-Farbte i 1er für
Transmission von eyanfarbigem Licht und Reflexion von Licht außer eyanfarbig, s. Fig. 19
Chip für strukturiertes eyanfarbiges Licht
RGB-Chip mit Bayer-Filter für weißes, eher unstrukturiertes Licht
2-Chip-Farbkamera für die schmalen Spcktralbänder um grün und eyan mit einem Bandpass-Farbteiler für Transmission von eyanfarbigem Licht und Reflexion von grünem Licht (ohne Figur)
kontinuierlich sich bewegender und durch das Steuer- und
Datenverarbeitungssystem 17 gesteuerter Translations-Schlitten für einen externen Scan, dem ein mit Translations-Mess-System 10 geregelter
Linearantrieb 9 zugeordnet ist
Der Translations-Schi itten stellt eine verdrehgesicherte prismatische
Präzisions-Lagerung 81 dar. In das Messsystem 10 ist ein hochgenauer Startpunktgeber 1 1 integriert, der hier nicht dargestellt ist.
kontinuierlich sich bewegender und durch das Steuer- und
Datenverarbeitungssystem 17 gesteuerter Translations-Schlitten für einen internen Scan, dem ein mit Translations-Mess-System 10 geregelter i Linearantrieb 9 zugeordnet ist
Der Translations-Schlitten stellt eine verdrehgesicherte prismatische
Figure imgf000118_0001

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Tiefenscannenden S trei fen-Tri angu 1 ation mit Wavclcl-Signal-Erzeugung mit einer Streifen-Triangulation-Anordnung zur strukturierten Beleuchtung mindestens eines Messobjekts (6, 61, 62, 63), wobei die Streifen-Triangulationsanordnung umfasst:
einen Proj ektionsstrahlcngang,
einen vom Projektionsstrahlengang getrennten Detektionsstrahlengang,
mindestens einen gerasterten Lichtdetektor (71 , 72, 73) mit Pixeln,
mindestens ein Rechnersystem (17),
eine rechnersteuerbare Seanvorrichtung (8, 81 ) zum Tiefenscan des Messobjekts (6, 61 , 62, 63); und
wobei das Verfahren umfasst:
Durchführen eines Tiefenscans des Messobjekts (6, 61 , 62, 63) umfassend:
(i) Erzeugen gleichzeitig oder nacheinander von zumindest zwei Gittermustern mit unterschiedlichen Gitlerperioden p_l und p_2, wobei die Gitterperioden die Beziehungen
p_2 > 1,01 * p_l und p_2 < 100*p_l
erfüllen;
Projizieren durch den Projektionsstrahlengang der Gittermuster auf das Messobjekt (6, 61 , 62, 63), so dass ein strukturiert beleuchtetes Messobjekt (6,
61, 62, 63) besteht, und
Aufnehmen mit dem gerasterten Lichtdetektor (71 , 72, 73, 74, 75) und unter Nutzung des Deteklionssirahlengangs von zumindest zwei Bildersätzen, die jeweils den unterschiedlichen Gittermustern entsprechen, wobei jeder Bildersatz eine Folge von Bildern des mit einem bestimmten Gittermuster strukturiert beleuchteten Messobjekts (6, 61 , 62, 63) umfasst,
oder (ii) Erzeugen eines Gittermusters mit einer Periode p und Projizieren des Gittermusters auf das Messobjekt (6), so dass ein strukturiert beleuchtetes Messobjekt (6, 61 , 62, 63) besteht;
Verändern des Triangulationswinkels der Streifen-Triangulationsanordnung, so dass nacheinander mindestens zwei unterschiedliche effektive Triangulationswinke! beta l und beta_2 in der Streifen- Triangulationsanordnung bestehen, welche die Beziehungen
beta_2 > 1 ,01 * beta j und beta 2 < 1 ,25* beta 1
erfüllen, und
Aufnehmen mit dem gerasterten Lichtdetektor (71 , 72, 73, 74, 75) und unter Nutzung des Detektionsstrahlengangs von zumindest zwei Bildersätzen, die jeweils den unterschiedlichen Triangulationswinkeln entsprechen, wobei jeder Bildersatz eine Folge von Bildern des strukturiert beleuchteten Messobjekts (6, 61, 62, 63) bei einem bestimmten Triangulationswinkel umfasst; Erzeugen von zumindest zwei Wavelets Wl und W2 mit jeweils unterschiedlichen Wavelet-Perioden pw_l und pw_2 aus den zumindest zwei Bildersätzen, wobei die zumindest zwei Wavelets Wl und W2 jeweils eine Kontrast-Einhüllende (CE_1, CE 2) aufweisen;
Bestimmen mittels des Rechnersystems (17) der Tiefenposition von einem angemessenen Messpunkt i des Messobjekts (6, 61, 62, 63) aus den zumindest zwei Wavelets Wl und W2 und unter Berücksichtigung von pixelweise gegebenen Referenz-Phasenwerten (phi R l , phi_R_2) der zumindest zwei Wavelet-Perioden pw_l und pw_2, umfassend:
pixelweises Auswerten des Schwerpunkts mindestens einer der Kontrast- Einhüllenden (CE 1 , CE_2);
pixelweises Phasenauswerten sowohl der Wavelet-Periode pw_l, welches einen Phasenwert phi 1 modulo 2 Pi liefert, als auch der Wavelet-Periode pw_2, welches einen Phasenwert phi_2 modulo 2 Pi liefert,
Errechnen der Phasenwerte phi O 1 i und phi_0_2_i modulo 2 Pi für ein Pixel i, welche im Pixel i sowohl dem Referenz-Phasenwert phi R_l i modulo 2 Pi der Wavelet- Periode pw_l als auch dem Phasenwert phi R_2 i modulo 2 Pi der Wavelet-Periode pw 2 in der Umgebung des errechneten Schwerpunktes (CoG W l) der Kontrast-Einhüllenden des ersten Wavelets Wl und/oder des errechneten Schwerpunktes (CoG_ W_2) der Kontrast- Einhüllenden des zweiten Wavelets W2 zumindest näherungsweise entsprechen; und Errechnen der Tiefenposition für den Messpunkt i des Messobjekts (6, 61 , 62. 63) aus den errechneten Phasenwerten phi ü l i und phi_ü_2 i modulo 2 Pi für den Pixel i.
2. Verfahren zur Tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach Anspruch 1 , wobei
die Gitterperioden p i und p_2 die Bedingung p_2 < 2*p erfüllen, und die zumindest zwei Wavelets Wl und W2 numerisch eine Schwebung mit mindestens einer Schwebungsperiode pw_ 12 zueinander aufweisen, die mindestens doppelt so groß ist wie die Waveletperiode pw l des Wavelets Wl ; oder
die Gitterperioden p_l und p_2 die Bedingung p_2 > 2*p erfüllen, und die Wavelet- Periode pw_ 2 des zweiten Wavelets W2 mindestens doppelt so groß ist wie Wavelet-Periode pw l des ersten Wavelets Wl .
3. Verfahren zur Tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend:
telezentrisches Beleuchten des Messobjekts (6, 61 , 62, 63) mittels einer telezentrischen
Blende (51) im Projektionsstrahlengang; und/oder
telezentrisches Abbilden des Messobjekts (6, 61, 62, 63) mittels einer telezentrischen Blende (52) im Detektionsstrahlengang.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Tiefenscan ein kontinuierlicher Tiefenscan ist, welcher durch:
eine kontinuierliche Relativbewegung zwischen dem Messobjekt (6, 61 , 62, 63) und der Triangul at ionsanordnung; oder
eine kontinuierliche Rel ati vbewegung zwischen dem Messobjekt (6, 61 , 62, 63) und der Schärfeebene mindestens eines Gitterbildes im Objektraum; oder
eine kontinuierliche Variation der Brechkraft im Proj ektionsstrahl engang
durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Tiefenscan:
zumindest zwei statische Liniengitter (21 , 22, 24, 25, 26) mit unterschiedlichen
Gitterperioden zeitlich abwechselnd beleuchtet werden oder die zumindest zwei statischen Liniengitter (21 , 22, 24, 25, 26) Selbstleuchter sind und zeitlich abwechselnd leuchten; oder ein räumlicher Lichtmodulator (203) beleuchtet wird und zeitlich nacheinander die zumindest zwei Gittermuster mit den jeweils unterschiedlichen Gitterperioden p 1 und p 2 schaltet; oder ein schaltbarer strukturierter Lichtgeber zeitlich nacheinander die zumindest zwei Gittermuster mit den jeweils unterschiedlichen Gitterperioden (p_I , p_2) schaltet; oder
zumindest zwei statische Liniengitter (21 , 22, 24, 25, 26) mit Licht mit jeweils unterschiedlichen Farbspektrum gleichzeitig beleuchtet werden oder die zumindest zwei Liniengitter (21 , 22, 24, 25, 26) Selbstleuchtcr mit jeweils unterschiedlichem Farbspektrum sind und gleichzeitig auf das Messobjekt (6, 61 , 62, 63) durch denselben Projektionsstrahlengang projiziert werden und so ein strukturiert und farbig beleuchtetes Messobjekt (6, 61 , 62, 63) besteht und dieses Messobjekt (6, 61 , 62, 63) unter Nutzung des Detektionsstrahlenganges von einem gerasterten Lichtdetektor (71 , 72, 74, 75) mit mindestens zwei Farbkanälen detektiert wird: oder
ein statisches drehbares Liniengitter (27), welches mit mindestens einer Lichtquelle beleuchtet wird oder ein Selbstleuchter ist, zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Drehstellungen gedreht wird, wobei durch die Drehung des statischen drehbaren Liniengitters (27) zeitlich nacheinander zumindest zwei Gittermuster mit unterschiedl ichen effektiven Gitterperioden p eff_l und p eff 2 erzeugt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei:
ein statisches Liniengitter (2) mit einer Periode p mit mindestens einer Lichtquelle (101 - 1 14) beleuchtet wird oder Selbstleuchter ist;
bezogen auf die optische Achse des jeweiligen Abbildungsstrahlenganges lateral unterschiedliche Bereiche der Blendenöffnung einer steuerbare Blende (54), welche in einer Blendenebene des Frojektionsstrahlcnganges oder/und des Detektionsstrahlenganges angeordnet ist, vorbestimmt gesteuert zur Lichttransm ission oder Lichtreflexion abwechselnd freigeben, so dass der effektive Triangulationswinkel der Streifen-Triangulationsanordnung vorbestimmt gesteuert verändert wird und so nacheinander mindestens zwei unterschiedliche effektive Triangulationswinkel beta 1 und beta 2 in der Streifen-Triangulationsanordnung bestehen.
7. Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation mit strukturierter Beleuchtung und Wavelet-Signal-Erzeugung zur strukturierten Beleuchtung mindestens eines Messobjekts (6, 61 , 62, 63), wobei die Anordnung umfasst: einen Projektionsstrahlengang,
einen vom Projektionsstrahlcngang getrennten Dctektionsstrahlengang,
mindestens einen gerasterten Lichtdcteklor (71, 72, 73) mit Pixeln,
mindestens ein Rechnersystem (17);
eine rechnersteuerbare Scanvorrichtung (8, 81) zum Tiefenscan des Messobjekts (6, 61 , 62, 63);
wobei:
die Anordnung ausgelegt ist,
(i) gleichzeitig oder nacheinander zumindest zwei Gittermuster mit unterschiedlichen Gitterperioden p_l und p 2 zu erzeugen und auf das Messobjekt (6, 61 , 62, 63) durch den Projektionsstrahlengang zu projizieren, wobei die Gitterperioden p_ 1 und p_2 die Beziehungen:
p_2 > 1 ,01 * p_l und p_2 < 100*p_l ,
erfüllen;
oder
(ii) ein Gittermuster mit einer Gitterperiode p zu erzeugen und durch den Projektionsstrahlengang auf das Messobjekt (6, 61 , 62, 63) zu projizieren, und den Triangulationswinkel beta der Streifen-Triangulationsanordnung zu variieren, so dass nacheinander mindestens zwei unterschiedliche Triangulationswinkel beta 1 und beta 2 in der Streifen- Triangulationsanordnung bestehen, welche die Beziehungen
beta_2 > 1 ,01* beta _l und beta _2 < 1 ,25* beta_l erfüllen;
mit dem gerasterten Lichtdetektor (71 , 72, 73, 74, 75) und unter Nutzung des Detektionsstrahlengangs zumindest zwei Bildersätze aufzunehmen, die jeweils den unterschiedlichen Gittermustern oder den unterschiedlichen Triangulationswinkeln entsprechen, wobei jeder Bildersatz eine Folge von Bildern des mit einem bestimmten Giltermuster strukturiert beleuchteten Messobjekts (6, 61 , 62, 63) oder von Bildern des strukturiert beleuchteten Messobjekts (6, 61 , 62, 63) bei einem bestimmten Triangulationswinkel umfasst; und
wobei das Rechensystem (17) ferner umfasst:
einen Speicher zum Speichern der zumindest zwei Bildersätze.
8. Anordnung zur ti efenscannenden Streifen-Triangulation nach Anspruch 7, wobei das Rechensystem (7) einen Auswertemodul umfasst, der eingerichtet ist:
zumindest zwei Wavelets Wl und W2 mit jeweils unterschiedlichen Wavelet-Perioden pw 1 und pw_2 aus den zumindest zwei Bildersätzen zu erzeugen, wobei die zumindest zwei Wavelets Wl und W2 jeweils eine Kontrast-Einhüllende (CE_1 , CE_2) aufweisen;
die Tiefenposition von einem angemessenen Messpunkt i des Messobjekts (6, 61 , 62, 63) aus den zumindest zwei Wavelets W l und W2 und unter Berücksichtigung von pixelweise gegebenen Referenz-Phasenwerten (phi R l , phi R 2) der zumindest zwei Wavelet-Perioden pw l und pw_2 zu bestimmen, wobei das Bestimmen der Tiefenposition umfasst:
pixel weises Auswerten des Schwerpunkts mindestens einer der Kontrast- Einhüllenden (CE_1 , CE_2) und pixelweises Phasenauswcrten sowohl der Wavelet- Periode pw 1 , welche einen Phasenwert phi l modulo 2 Pi liefert, als auch der Wavelet- Periode pw_2, welche einen Phasenwert phi 2 modulo 2 Pi liefert,
Errechnen der Phasenwerte phi_0_l _i und phi_0_2_i modulo 2 Pi für ein Pixel i, welche im Pixel i sowohl dem Referenz-Phasenwert phi R_l_i modulo 2 Pi der Wavelet-Periode pw_l als auch dem Phasenwert phi_R_2_i modulo 2 Pi der Wavelet- Periode pw_2 in der Umgebung des errechneten Schwerpunktes (CoG W l ) der Kontrast-Einhüllenden des Wavelets W l und/oder des errechneten Schwerpunktes (CoG_W_2) der Kontrast-Einhüllenden des Wavelets W2 zumindest näherungsweise entsprechen; und
Errechnen der Tiefenposition für den Messpunkt i des Messobjekts (6, 61 , 62, 63) aus den errechneten Phasenwerten phi O l i und phi O 2_i modulo 2 Pi für ein Pixel i.
9. Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der Ansprüche 7 oder 8, umfassend:
zwei räumlich separierte statische Liniengitter (21 , 22, 24, 25, 26), die entweder mit mindestens einer Lichtquelle (101 -1 14) beleuchtet werden oder Selbstlcuchter sind, wobei das Licht von den Liniengittern (21 , 22, 24, 25, 26) eine im Projektions-Strahlengang angeordnete Blende (51 ) passiert, oder
ein räumlicher Lichtmodulator (23) oder ein schaltbarer strukturierter Lichtgeber, der eingerichtet ist, entweder gleichzeitig unterschiedliche (z.B. räumlich oder spektral getrennte) GitteriTiuster mit jeweils unterschiedlichen Gitterperioden p 1 , p 2 oder nacheinander schaltbare Gitterperioden, p 1 , p 2 zu generieren; oder
ein statisches drehbares Liniengitter (27), welches mit mindestens einer Lichtquelle beleuchtet wird oder ein Selbstleuchter ist, wobei durch die Drehung des statischen drehbaren Liruengitters (27) zeitlich nacheinander zumindest zwei Gittermuster mit unterschiedlichen effektive Gitterperioden p eff 1 und p ef 2 erzeugt werden.
10. Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, umfassend:
ein statisches Liniengitter (2) mit einer Periode p, das entweder mit mindestens einer
Lichtquelle (101 -1 14) beleuchtet wird oder Selbstleuchter ist;
eine steuerbare Blende (54) mit einer Blendenöffnung, wobei die steuerbare Blende (54) in einer Blendenebene des Projektionsstrahlenganges oder/und des Detektionsstrahlenganges angeordnet ist,
Biendensteuerungsvorrichtung, w elche eingerichtet ist, bezogen auf die optische Achse des jeweiligen Abbildungsstrahlenganges lateral unterschiedliche Bereiche der Blendenöffnung vorbestimmt gesteuert zur Lichttransmission oder Lichtreflexion abwechselnd freizugeben, so dass der effektive Triangulationswinkel der Streifen-Triangulationsanordnung vorbestimmt gesteuert verändert wird und so nacheinander mindestens zwei unterschiedliche effektive Triangulationswinkel beta_t und beta 2 in der Streifen-Triangulationsanordnung bestehen,
11. Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei:
die optische Achse (APA) des Projektionsstrahlenganges auf der Seite der das zumindest eine Gittermuster erzeugende Komponente oder Komponenten und die optische Achse (ADA) des Detektionsstrahlenganges auf der Seite des gerasteten Detektors zueinander geneigt angeordnet sind; und/oder
die optische Achse des Detektionsstrahlenganges auf der Seite des Messobjekts (ADO) parallel zu einer Translationsachse (TA) der Scanvorrichtung angeordnet ist.
12. Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der Ansprüche 7 bis 1 1, wobei im Projektionsstrahlengang eine erste Abbildungsstufe (41 , 41 1 , 412) und/oder eine erste Blende (51 ) angeordnet ist; und/oder
im Detektionsstrahlengang eine zweite Abbildungsstufe (42, 421 , 422) und/oder eine zweite Blende (52) angeordnet ist.
13. Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach Anspruch 12, wobei:
die erste Abbildungsstufe (41 , 41 1 , 412) und/oder die zweite Abbildungsstufe (42, 421 , 422) eine einseitig oder beidseitig telezentrische Abbildungsstufe ist; und/oder
die erste Blende (51 ) und/oder die zweite Blende (52) eine telezentrische Blende ist.
14. Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei:
der Projektionsstrahlengang und/oder der Detektionsstrahlengang jeweils einen Abbildungsmaßstab mit dem Betrag eins oder ungleich eins aufweist; und/oder
der Projektionsstrahlengang und/oder der Detektionsstrahlengang gefaltet oder ungefaltet sind.
15. Anordnung zur tiefenscannenden Strei fen-Triangulation gemäß einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei
im Projektionsstrahlengang mindestens zwei Planspiegelflächen (491 , 492, 441, 442,
451 , 542, 471 , 472 ) auf dem optischen Pfad von einer mustererzeugenden Komponente (21 -27) der Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation zum Messobjekt (6, 61, 62, 63) angeordnet sind; und/oder
im Detektionsstrahlengang mindestens zwei Planspiegelflächen (491 , 492, 441 , 442, 451 , 542, 471 , 472) auf dem optischen Pfad vom Messobjekt (6, 61 , 62, 63) zum gerasterten Detektor (73) angeordnet sind.
16. Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach Anspruch 14, wobei: die Differenz der Anzahl der Reflexionen an Planspiegelflächen im Projektions- und im Detektionsstrahlengang null oder geradzahlig ist; und/oder
die zumindest zwei Planspiegelflächen in Form eines Winkelspiegels oder eines Winkelspiegelprismas (4131 , 4132) im Projektionsstrahlengang angeordnet sind.
17. Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach Anspruch 15 oder 16, wobei:
die mindestens zwei Planspiegclflächen in Form einer Winkelspiegelanordnung (491 , 492) im Proj ekti on sstrahlengang angeordnet sind, der Gesamtablenkwinkel der Winkelspiegelanordnung (491, 492) im Projektionsstrahlengang den doppelten Winkelbetrag des Tri angul ati onswi nkels beta aufweist, und der Projcktionsstrahlengang und der Detektionsstrahlengang den Betrag des Abbildungsmaßstabes von eins aufweisen; oder
die mindestens zwei Planspiegelflächen in Form eines 90°-Winkelspiegels oder Pentaprismas (4131 , 4132) im Projektionsstrahlengang angeordnet sind, und der Abbildungsmaßstab vom Objektraum in den Array-Raum gleich dem Quadrat des Tangens des Triangulationswinkels (betaJP) gewählt ist; oder
die mindestens zwei Planspiegelflächcn in Form einer Winkelspiegelanordnung (491 , 492) im Projcktionsstrahlengang angeordnet sind, der Gesamtablenkwinkel der Winkelspiegelanordnung (491, 492) im Projcktionsstrahlengang den doppelten Winkelbetrag des Triangulationswinkels beta aufweist, die Translationsachse (TA) die Winkelhalbierende zu der optischen Achse des Projektionsstrahlengangs (APA) und der optischen Achse des Detektionsstrahlengangs (ADA) darstellt, und der Projektionsstrahlengang und der Detektionsstrahlengang den Betrag des Abbildungsmaßstabes von eins aufweisen.
18. Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der Ansprüche 7 bis 17, wobei die Scanvorrichtung ein rechnersteuerbares Translationssystem (81) umfasst, wobei dem Translationssystem (81) sowohl der gerasterte Lichtdetektor (73) als auch zumindest eine mustererzeugende Komponente (21 -27) der Anordnung (21 -27) zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation starr zugeordnet sind, so dass das Transl ati onssystem (81 ), der gerasterte Lichtdetektor (73) und die zumindest eine mustererzeugende Komponente (21 -27) starr gekoppelt sind.
19. Anordnung zur Tiefenscannenden Strei fen-Tri an gu 1 ati on nach einem der Ansprüche 7 bis 1 8, wobei die Anordnung
zwei Projektionsstrahiengänge umfasst, wobei die beiden Projektionsstrahlengänge optional symmetrisch zur optischen Achse des Detektionsstrahlenganges angeordnet sind; oder zwei Detektionsstrahlengänge umfasst, wobei die beiden Detektionsstrahlengänge optional symmetrisch zur optischen Achse des Projektionsstrahlenganges angeordnet sind.
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