DE9301901U1 - Vorrichtung zur Topographiemessung mittels projizierter Muster - Google Patents

Description

Beschreibung: 93009 G

Vorrichtung zur Topographiemessung mittels proiizierter Muster

Zur großflächigen quantitativen optischen Messung der Topographie diffusreflektierender Oberflächen ist der Einsatz sogenannter Streifenprojektions-Meßvorrichtungen bekannt. Derartige Meßvorrichtungen weisen einen Projektor auf, der ein Muster, normalerweise ein Streifenmuster mit sinusförmigem Intensitätsverlauf senkrecht zur Streifenrichtung, auf die Meßoberfläche projiziert. Das entsprechend der zu vermessenden Topographie deformierte Streifenmuster wird mit einer Videokamera aufgezeichnet. Durch nachfolgende Auswertung der aufgezeichneten Kamerabilder mit Hilfe der aus der Interferometrie bekannten Auswertealgorithmen und unter Ausnutzung der als bekannt vorausgesetzten geometrischen Anordnung von Projektor und Kamera zueinander läßt sich die Topographie der Meßoberfläche, d.h. die Oberflächenkoordinaten relativ zu einem durch die Anordnung von Kamera und Projektor zueinander gegebenen Koordinatenursprung, berechnen. Derartige Meßvorrichtungen sind beispielsweise in der EP-Bl 0 182 469, der DE-Al 4 0 07 500 und in der älteren Anmeldung P 41 30 237 der Anmelderin beschrieben. Wesentlich für das Meßprinzip ist dabei, daß für jeden Objektpunkt die Projektionsrichtung und die Beobachtungsrichtung einen von Null verschiedenen Winkel aufweisen, da die Paralaxe für die Meßauflösung in Richtung der optischen Achse der Kamera verantwortlich ist. Bei fest vorgegebener Periodenlänge des projizierten Musters wird daher die Meßauflösung in Richtung der optischen Achse der Kamera um so feiner, je größer der Winkel zwischen der Projektions- und der Beobachtungsrichtung ist.

Für die Vermessung großflächiger Oberflächen, z.B. von Karosserieteilen in der Automobilindustrie, ist es außerdem

nützlich, sowohl für den Projektor als auch für die Kamera zentralperspektivische Projektionsoptiken zu verwenden, da bei der Zentralprojektion und der gleichzeitigen zentralperspektivischen Beobachtung die Größe des zur Verfügung stehenden Meßvolumens unabhängig von den Öffnungsweiten der Optiken ist. Sind jedoch zentralperspektivischer Projektor und zentralperspektivische Kamera unter großen Winkeln zueinander angeordnet, so ist ein ausgeprägter Abfall der Beleuchtungsintensität, d.h. der Grundhelligkeit der Muster in den Kamerabildern beobachtbar, wodurch ein Teil der Kameradynamik nicht für die eigentliche Phasenauswertung nutzbar ist.

Aus der US-Al 4 815 828 ist eine Spezialkamera zur Beobachtung des geschmolzenen Urans bei der Isotopentrennung bekannt. Durch ein im Kamerastrahlengang angeordnetes Filter, dessen Transmission mit zunehmender Lichtintensität abnimmt, ist der Intensitätsbereich der auf den Kamerasensor auftreffenden Strahlung so stark komprimiert, daß keine Übersteuerung des Kamerasensors auftritt. Hinweise hinsichtlich einer Anwendung derartiger Kameras in der Topographiemessung mittels Musterprojektion, bei der die aufgezeichneten Muster einer nachfolgenden Phasenauswertung unterzogen werden, sind dieser Schrift jedoch nicht entnehmbar.

Aus der US-Al 4 771 308 ist außerdem eine Autofokuskamera mit einem aktiven Auotofokus bekannt. Die Kamera enthält ein Streifengitter und eine Projektionsoptik, mit der das Streifengitter in eine die optische Achse des Kameraobjektivs enthaldende Ebene abgebildet ist. Zur Einstellung der Fokussierung auf ein im Bildbereich des Kameraobjektivs angeordnetes Motiv wird das Kameraobjektiv in bekannter Weise so entlang der optischen Achse verschoben, daß ein scharfes Musterbild auf einem Sensor entsteht. Damit auch bei weit entfernten Motiven genügend Meßlicht für das Autofokussystem

detektiert wird, weist der Gitterträger zusätzlich zu dem Streifengitter einen derartigen Transmissionsgradienten auf, daß die Intensität des projizierten Musters mit dem Abstand zunimmt.

Eine Topographiemessung ist mit dieser Kamera nicht vorgesehen, und selbst wenn die Kamera zur Topographiemessungen verwendet würde, so könnten die Objektkoordinaten bestenfalls in einer sehr kleinen Umgebung um die optische Achse des Kameraobjektivs ermittelt werden.

Die vorliegende Erfindung soll eine Meßvorrichtung zur Topographiemessung mittels projizierter Muster angeben, bei der auch bei großen Winkeln zwischen der optischen Achse des Projektors und der optischen Achse der Kamera ein großer Teil der Kameradynamik für die Musterauswertung zur Verfügung steht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Meßvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung enthält also mindestens einen Projektor zur Projektion eines Musters auf eine Objektoberfläche, wobei der Projektor eine erste optische Achse aufweist, und mindestens eine Kamera zur Aufzeichnung des an der Objektoberfläche deformierten Musters, wobei die Kameraoptik eine zweite, zur optischen Achse des Projektors geneigte, optische Achse aufweist. Desweiteren ist ein Auswerterechner zur Auswertung der Kamerabilder vorgesehen, mit dessen Hilfe aus den Streifenphasen der deformierten Muster die Koordinaten der Objektoberfläche relativ zu einem gerätenfesten Koordinatensystem berechnet werden. Zusätzlich ist eine Einrichtung vorgesehen, die die von der Kamera aufintegrierte Lichtenergiedichte innerhalb der Bildebene örtlich unterschiedlich beeinflußt. Durch diese Einrichtung

kann erreicht werden, daß die mittlere Intensität der aufgezeichneten Musterbilder innerhalb der gesamten Bildebene annähernd konstant ist.

In einem ersten Ausführungsbeispiel ist das Filter ein Transmissionfilter, das örtlich unterschiedliche Transmissiongrade aufweist. Der Transmissionsgrad des Filters sollte nur in derjenigen Richtung, die in der durch die optischen Achsen von Kamera und Projektor aufgespannten Ebene liegt, unterschiedliche Werte aufweisen. In zu dieser Ebene senkrechter Richtung sollte dagegen der Transmissionsgrad des Filters konstante Werte haben.

Prinzipiell kann das Transmissionsfilter entweder im Projektor oder in der Kamera angeordnet sein. Eine Anordnung des Filters in der Kamera hat jedoch den Vorteil, daß keine oder nur äußerst geringe Wärmeprobleme auftreten. Bei Anordnung des Filters in der Kamera kann das Filter außerdem aus einem phototropen Material bestehen, dessen Transmissionsgrad automatisch bei zunehmender Lichtintensität abnimmt. Ein solches Filter ist dann außerhalb der Bild- oder Zwischenbildebenen des Prüflings anzuordnen. Dadurch wird erreicht, daß der örtlich unterschiedliche Transmissionsgrad des Filters keinen schädlichen Einfluß auf die mittlere Intensität des Musters innerhalb einer oder weniger Musterperioden hat, sondern lediglich über Bereiche wirksam wird, die wesentlich größer als die Musterperiode sind.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist eine Einrichtung vorgesehen, die eine ortsabhängige Belichtungszeit bzw. Integrationszeit der Kamera bewirkt. Als Kamerassensor kann ein CCD-Sensor mit in Zeilen und Spalten angeordneten optoelektronischen Detektoren vorgesehen sein. Innerhalb einer jeden senkrecht zur Ebene der optischen Achsen von Kamera und Projektor verlaufenden Detektorspalte ist dann die Integrationszeit konstant, während die einzelnen

Detektorspalten unterschiedliche Integrationszeiten aufweisen. Anstelle des Filters ist in diesem Ausführungsbeispiel eine elektronische Schaltung vorgesehen, mit deren Hilfe belichtungssteuernde Löschimpulse an die einzelnen Detektorspalten angelegt werden.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere bei Streifenprojektionsmeßvorrichtungen vorteilhaft anwendbar, bei denen der Winkel zwischen der optischen Achse der Kamera und des Projektors größer als 45° ist. Denn bei derart großen Parallaxenwinkel fällt die Ausleuchtung, d.h. die mittlere Intensität über das Bildfeld besonders stark ab.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist im Projektor ein Streifengitter, beispielsweise ein Ronchigitter, vorgesehen, das durch ein Projektionsobjektiv auf die Oberfläche des Meßobjektes projiziert wird. Das Steifengitter ist innerhalb des Projektors so angeordnet, daß die Seheimpflugbedingung für Ebenen senkrecht zur optischen Achse der Kamera erfüllt ist. Dadurch ist innerhalb dieser Ebene ein optimaler Streifenkontrast gewährleistet. Das Steifengitter sollte zusätzlich eine nichtäquidistante Teilung aufweisen, die an den Winkel zwischen der optischen Achse der Kamera und der des Projektors derart angepaßt ist, daß in Ebenen senkrecht zur optischen Achse der Kamera Muster mit äquidistanten Streifen entstehen.

Im folgenden werden Einzelheiten der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung mit in der Kamera angeordnetem Transmissionsfilter;

Fig. 2a-2b Diagramme des Transmissionsgrades des Filters aus Figur 1 als Funktion des Ortes;

Fig. 3a eine Aufsicht auf einen CCD-Sensor für ein zweites Ausführungsbeispiel mit spaltenweise unterschiedlicher Integrationszeit und

Fig. 3b ein Diagramm der Integrationszeit als Funktion des Ortes.

Die Steifenprojektionsmeßvorrichtung in Figur 1 hat einen Meßkopf (1) mit einem Projektor (Ib) und einer Kamera (la). Der Projektor (Ib) enthält ein Projektionsobjektiv (2), das ein von einer Lichtquelle (4) und einer Beleuchtungsoptik (5) ausgeleuchtetes Streifengitter (3) in Zentralprojektion auf die zu vermessende Objektoberfläche (6) projiziert. Das an der Oberfläche des Meßobjektes (6) deformierte Streifenmuster wird mit Hilfe des Kameraobjektivs (7) in Zentralprojektion auf den Kamerasensor (8), der als CCD-Sensor ausgebildet ist, abgebildet.

Mit dem Meßkopf (1) ist ein Auswerterechner (10) verbunden, in den die mit dem Kamerasensor (8) aufgezeichneten Streifenbilder eingelesen und nachfolgend ausgewertet werden. Durch die Auswertung der Streifenphasen in den aufgezeichneten Mustern wird die Topographie der Objektoberfläche quantitativ erfaßt. Die Auswertung selbst erfolgt mit den aus der Interferometrie bekannten Phasenauswertealgorithmen. Einzelheiten dieser Auswertealgorithmen sind in den eingangs genannten Druckschriften, insbesondere in DE-Al 40 07 500, der EP-Bl 0 182 469 und zusätzlich in der DE-Al 40 14 019 beschrieben, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Das Ergebnis der Phasenauswertung wird anschließend auf einem Monitor (11) graphisch oder numerisch dargestellt.

Im Unterschied zu den bisher bekannten Streifenprojektions-Meßvorrichtungen weisen hier die optische Achse (2a) des Projektionsobjektivs (2) und die optische Achse (z) des Kameraobjektivs (7) einen sehr großen Parallaxenwinkel ((f), der hier 55° beträgt, auf. Gleichzeitig ist das Steifengitter (3) so geneigt zur optischen Achse (2a) des Projektionsobjektivs (2) angeordnet, daß für eine senkrecht zur optischen Achse (z) des Kameraobjektivs (7) liegende Ebene (12) die Scheimpflugbedingung erfüllt ist (die Hauptebene des Projektionsobjektivs (2) und die Ebene des Gitters (3) schneiden die Ebene (12) entlang einer senkrecht zur Zeichenebene liegenden Geraden (12a). Das Gitter (3) ist dadurch scharf in die Ebene (12) abgebildet. Außerdem weist das Gitter (3) eine nichtäquidistante Teilung auf, die so bemessen ist, daß in der Ebene (12) ein Gitterbild mit äquidistanten Streifen entsteht. Die Streifenrichtung selbst ist senkrecht zur Zeichenebene.

Aufgrund der unterschiedlichen Abbildungsverhältnisse des Gitters (3) in das zwischen (6a) und (6b) liegende Bildfeld der Kamera (la) weist das projizierte Muster in der Ebene (12) bzw. auf der Objektoberfläche (6) stark unterschiedliche Grundhelligkeiten auf. Insbesondere ist die Helligkeit bei (6b) wesentlich geringer als bei (6a). Entsprechend unterschiedliche Helligkeiten würden dann auch an den den Punkten (6a) und (6b) zugeordneten Bildpunkten (8a) bzw. (8b) auf dem Kamerasensor (8) vorliegen. Zum Ausgleich dieser unterschiedlichen Helligkeitsverhältnisse innerhalb des Bildfeldes ist vor dem Kamerasensor außerhalb einer Zwischenbildebene ein Transmissionsfilter (9) mit in einer Richtung linear ansteigendem Transmissionsgrad angeordnet. Der Transmissiongrad des Filter (9) nimmt, wie in der Figur 2a dargestellt isr., in der Richtung x, die in der Zeichenebene liegt, kontinuierlich von (9b) nach (9a) ab. Das im Bereich (6b) am Objekt gestreute Licht, das das Filter (9) im Bereich (9b) transmittiert, wird daher durch das Filter

(9) weniger abgeschwächt als das bei (6a) gestreute und das Filter (9) bei (9a) transmittierende Licht.

In der zur Zeichenebene in Figur 1 senkrechten y-Richtung hat die Transmission des Filters (9) jeweils einen konstanten, nur von der x-Position abhängigen Wert. Dies ist in der iigur 2b für die zu den Bereichen (9a) und (9b) gehörigen x-Positionen dargestellt. Der Abfall der Transmission in Figur 2a zwischen (9b) und (9a) ist dabei gerade so gewählt, daß der durch den unterschiedlichen Abbildungsmaßstab des Gitters (3) auf die Objektoberfläche (6) verursachte Abfall der Grundhelligkeit über das Bildfeld kompensiert ist. Die Streifenhelligkeit des Gitterbildes auf dem Sensor (8) ist daher für alle Positionen des Bildfeldes konstant.

Prinzipiell wäre es möglich, anstelle des Filters (9) in der Kamera ein entsprechend gewähltes Transmissionsfilter im Projektor vorzusehen, beispielsweise in einer zum Gitter (3) parallelen Ebene. Aufgrund der Lichtabsorption im Filter und der relativ hohen Lichtleistung innerhalb des Projektors können dann jedoch sehr leicht Wärmeprobleme auftreten.

Bei Anordnung des Transmissionsfilters in der Kamera ist es außerdem möglich, anstelle des vorstehend beschriebenen Filters mit definiert voreingestelltem örtlich unterschiedlichem Transmissionsgrad ein Filter aus einem phototropen Glas zu verwenden. Der Transmissionsgrad des Glases nimmt dann automatisch mit zunehmender Lichtintensität ab. Bei einem solchen außerhalb einer Bildebene angeordneten Filter stellt sich dann automatisch ein örtlich unterschiedlicher Transmissionsgrad ein, der den in den Figuren 2a und 2b dargestellten Verläufen entspricht. Die Anordnung des Filters (9) außerhalb von Bild- oder Zwischenbildebenen des Objektes (6) ist dann jedoch wichtig, da andernfalls das Filter die auszuwertenden Streifenmuster auslöschen bzw. abschwächen würde.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist anstelle eines physischen Transmissionsfilters ein Kamerasensor (80) (Figur 3a) mit spaltenweise unterschiedlicher Integrationszeit vorgesehen. Der Kamerasensor (80) besitzt eine Vielzahl (beispielsweise 512 &khgr; 512 oder 1024 &khgr; 1024) zeilen- und spaltenweise angeordneter photoelektrischer Detektorelemente. Zur Vereinfachung sind in der Figur 3a lediglich acht Sensorspalten (80s) und acht Sensorzeilen (80z) dargestellt. Über eine hier nicht dargestellte Ansteuereinrichtung sind für die unterschiedlichen Detektorspalten (80s) unterschiedliche Integrationszeiten für die freigesetzten Ladungsträger einstellbar.

Die Herstellung derartiger Kamerasensoren (80) stellt imgrunde keine Probleme dar, denn bereits bei den herkömmlichen CCD-Kamerachips sind im Prinzip Einrichtungen vorhanden, um die Integrationszeit eines jeden einzelnen Empfängerelementes anzusteuern. Allerdings sind dort die Ansteuerleitungen zunächst jeweils spaltenweise und dann die Ansteuerleitungen einer jeden Spalte mit der Ansteuerleitung der übernächsten Nachbarspalte verbunden. Bei dem in der Figur 3a dargestellten Sensorchip (80) sind dagegen lediglich die Ansteuerleitungen innerhalb einer jeden Spalte (80s) miteinander verbunden, so daß für jede Spalte (80s) eine unterschiedliche Integrationszeit einstellbar ist.

Die Gesamtanordnung der Meßvorrichtung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen der Anordnung nach Figur 1, bei der anstelle des Sensors (8) der Sensor (80) aus Figur 3a so angeordnet ist, daß die Detektorspalten (80s) senkrecht zur Ebene der optischen Achsen (2a, z) von Kameraobjektiv (7) und Projektorobjektiv (2), d.h. senkrecht zur Zeichenebene, angeordnet sind. Diese Orientierung des Kamerasensors (80) ist in Figur 3a durch die beiden nebenstehenden Koordinatenachsen angedeutet. Wie bereits

weiter oben ausgeführt, ist bei diesem Ausführungsbeispiel das physische Transmissionsfilter (9) durch eine elektronische Schaltung, die die Integrationszeit der Detektorspalten (80s) steuert, ersetzt.

In dem Diagramm nach der Figur 3b sind die für die einzelnen Detektorspalten unterschiedlichen Integrationszeiten &tgr; als Funktion des Ortes aufgetragen. Die Integrationszeit &tgr; nimmt von der Spalte (80a), auf die der Objektpunkt (6a) abgebildet ist, jeweils zur nächsten Spalte zu und ist für die Spalte (80b), auf die der Objektpunkt (6b) abgebildet ist, maximal. Die einzelnen Integrationszeiten jeder Kameraspalte sind dabei so eingestellt, daß die über das Bildfeld ungleichmäßige Grundhelligkeit ausgeglichen ist und nirgends im Bildfeld eine Übersteuerung der Kamera auftritt.

Gegenüber dem Ausführungsbeispiel mit einem Transmissionsfilter liefert die Steuerung der Integrationszeit den Vorteil, daß die Integrationszeit einer jeden Spalte abhängig von der Lichtintensität eines zuvor aufgenommenen Bildes wählbar ist. Dadurch kann die gesamte Kameradynamik stets für die Phasenauswertung genutzt werden. Nachteilig ist dagegen jedoch, daß bei der nachfolgenden Auswertung die spaltenweise unterschiedlichen Belichtungszeiten zu berücksichtigen sind.

Alternativ zu dem geradlinigen Gitter (3) kann auch ein nichtgeradliniges Gitter im Projektor vorgesehen sein, das so angeordnet ist, daß auf einer nicht-ebenen Prüflingsfläche ein äquidistantes Streifenmuster projiziert ist. Bei der Prüfung von Karosserieteilen ist dann beispielsweise als Bezugsfläche ein prismatischer Körper mit einem Flankenprofil gewählt, das dem Flankenprofil des zu prüfenden Bereiches entspricht.

Claims (10)

Schutzansprüche:

1. Vorrichtung zur Topographiemessung mit mindestens einem Projektor (Ib) zur Projektion eines Musters auf die Objektoberfläche (6), wobei der Projektor (Ib) eine erste optische Achse (2a) aufweist, mindestens einer Kamera (la) zur Aufzeichnung des an der Objektoberfläche

(6) deformierten Musters, wobei die Kamera (la) eine zweite optische Achse (z) aufweist, einen Auswerterechner (10) zur Auswertung der Kamerabilder, wobei aus den Streifenphasen der deformierten Muster die Koordinaten der Objektoberfläche (6) relativ zu einem gerätefesten Koordinatensystem berechnet werden und mit einer Einrichtung (9), die die von der Kamera integrierte Lichtenergiedichte innerhalb der Bildebene örtlich unterschiedlich beeinflußt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die die integrierte Lichtenergiedichte beeinflussende Einrichtung ein Transmissionsfilter (9) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Transmission (T) des Filters (9) entlang einer Richtung (x), die in der durch die optischen Achsen (2a, z) von Kamera (la) und Projektor (Ib) aufgespannten Ebene liegt, unterschiedliche Werte und in zu dieser Ebene senkrechter Richtung (y) konstante Werte hat.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das Filter (9) in der Kamera (la) außerhalb einer Bildebene angeordnet ist und aus einem phototropen Material besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die die integrierte Lichtenergiedichte beeinflussende Einrichtung eine

ortsabhängige Belichtungs- oder Integrationszeit &tgr; der Kamera (80) bewirkt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Kamera in Zeilen

(80z) und Spalten (80s) angeordnete optoelektronische Detektoren aufweist und eine elektronische Schaltung zur ortsabhängigen Steuerung der Belichtungs- oder Integrationszeit &tgr; vorgesehen ist, wobei die Belichtungs- oder Integrationszeit &tgr; innerhalb jeder senkrecht zur Ebene der optischen Achsen (z, 2a) von Kamera (la) und Projektor (Ib) angeordneten Detektorspalte (80s) konstant, die Integrationszeiten der einzelnen Detektorspalten (80s) jedoch verschieden sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, wobei der Winkel (&psgr;)zwischen den optischen Achsen (z, 2a) von Kamera (la) und Projektor (Ib) größer als 45° ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, wobei der Projektor ein Streifengitter (3) mit abwechselnd transmittierenden und absorbierenden Streifen aufweist und wobei das Gitter (3) und das Objektiv (2) des Projektors (Ib) derart geneigt zueinander angeordnet sind, daß die Scheimpflugbedingung für Ebenen (12) senkrecht zur optischen Achse (z) der Kamera (la) erfüllt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Gitter (3) eine nichtäquidistante Teilung aufweist, die an den Winkel (Cf) zwischen den optischen Achsen (z, 2a) von Kamera (la) und Projektor (Ib) derart angepaßt ist, daß in Ebenen

(12) senkrecht zur optischen Achse (z) der Kamera (la) Muster mit äquidistanten Streifen entstehen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Projektor (16) für zentralperspektivische Projektion und die Kamera (la) für zentralperspektivische Beobachtung ausgebildet sind.