DE10203797C1 - Three-dimensional interferometric measuring method allows evaluation of depth information for interesting area of camera image selected via defined criteria - Google Patents
Three-dimensional interferometric measuring method allows evaluation of depth information for interesting area of camera image selected via defined criteriaInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur dreidimensionalen interfero metrischen Messung, bei dem ein Messobjekt durch Ändern der Länge eines Lichtweges in einem Referenzarm relativ zur Länge eines Lichtweges in einem Objektarm in Tiefenrichtung abgetastet und die Oberflächenform mittels einer Kamera und einer damit verbundenen Bildverarbeitungseinheit bestimmt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for three-dimensional interfero metric measurement, in which a measurement object by changing the length of a Light path in a reference arm relative to the length of a light path in one Object arm scanned in the depth direction and the surface shape using a Camera and an associated image processing unit is determined, and an apparatus for performing the method.
Ein derartiges Verfahren zur dreidimensionalen interferometrischen Messung ist in der DE 41 08 944 C2 und der DE 195 28 513 A1 angegeben, wobei die Me thode der Weißlichtinterferometrie verwendet wird. Zum Abtasten der Ober fläche des Messobjektes in Tiefenrichtung (z-Richtung) wird dabei das Licht einer kurzkohärenten Lichtquelle über einen Strahlteiler einerseits in einen Referenzarm mit Referenzspiegel und andererseits in einen Objektarm mit dem Messobjekt geführt und das von dem Referenzspiegel und dem Messobjekt re flektierte und interferierende Licht über eine Abbildungsoptik auf einen Bildaufnehmer geführt. In einer anschließenden Bildverarbeitungseinheit werden die Bilder ausgewertet, während die Länge des Lichtweges in den Referenzarm relativ zur Länge des Lichtweges in dem Objektarm z. B. durch Bewegen des Re ferenzspiegels geändert wird. Eine Schwierigkeit bei der Messung besteht in der Verarbeitung des hohen Datenstromes der elektrischen Signale.Such a method for three-dimensional interferometric measurement is specified in DE 41 08 944 C2 and DE 195 28 513 A1, the Me method of white light interferometry is used. For scanning the upper The surface of the measurement object in the depth direction (z direction) becomes the light a short-coherent light source on the one hand into a beam splitter Reference arm with reference mirror and on the other hand in an object arm with the Measurement object guided and that of the reference mirror and the measurement object right reflected and interfering light over an imaging optics on one Image sensor led. In a subsequent image processing unit the images are evaluated while the length of the light path into the reference arm relative to the length of the light path in the object arm z. B. by moving the Re reference mirror is changed. One difficulty with the measurement is the Processing the high data stream of electrical signals.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereit zu stellen, mit dem die Messung schnell und genau durchführbar ist.The invention is based on the object of a method or a device of the type mentioned at the beginning, with which the measurement can be carried out quickly and is exactly feasible.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 7 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, dass mittels der Bildverarbeitungseinheit zunächst das gesamte von der Kamera aufgenommene Bild zweidimensional hin sichtlich mindestens eines interessierenden Teilbereiches anhand mindestens eines vorgegebenen oder vorgebbaren Kriteriums untersucht wird und dass an schließend die Auswertung einschließlich Tiefenrichtung nur für den inte ressierenden Teilbereich durchgeführt wird, bzw. bei der Vorrichtung, dass für die dreidimensionale Abtastung des Messobjektes eine Interferometeranordnung mit dem Referenzarm und dem Messarm vorhanden ist, wobei das interferieren de Licht über eine Abbildungsoptik auf einen Bildaufnehmer der Kamera geführt wird, und dass in der Bildverarbeitungseinheit zum Bestimmen des interessie renden Teilbereichs eine Erkennungseinheit und zum dreidimensionalen Aus werten eine Auswerteeinheit vorhanden ist.This object is achieved with the features of claim 1 and claim 7 solved. According to this, it is provided that by means of the image processing unit First, the entire image recorded by the camera in two dimensions visually at least one subarea of interest based on at least a predetermined or predefinable criterion is examined and that on finally the evaluation including depth direction only for the inte ressendes sub-area is carried out, or in the device that for the three-dimensional scanning of the measurement object an interferometer arrangement is present with the reference arm and the measuring arm, which interfere de Light is guided through an imaging optics onto an image recorder of the camera and that in the image processing unit for determining the interest a partial unit and a three-dimensional image evaluate an evaluation unit is available.
Durch die zunächst durchgeführte zweidimensionale Erfassung des Objektes (in x-/y-Richtung) und Bestimmung mindestens eines interessierenden Teilbereiches anhand eines vorgegebenen oder vorgebbaren Kriteriums erfolgt eine wesentli che Einschränkung der betrachteten Bildpunkte. Bei der anschließenden drei dimensionalen Auswertung nur der interessierenden Teilbereiche wird eine we sentliche Datenreduktion während der Tiefenabtastung der Objektoberfläche und damit eine erhebliche Steigerung der Messgeschwindigkeit erreicht.The two-dimensional acquisition of the object (in x / y direction) and determination of at least one subarea of interest an essential takes place on the basis of a predetermined or predefinable criterion che limitation of the viewed pixels. The following three dimensional evaluation of only the subareas of interest is a we significant data reduction during the depth scanning of the object surface and a significant increase in the measuring speed.
Zum Erzielen einer hohen Messgeschwindigkeit sind dabei die Maßnahmen vor teilhaft, dass nach Ermitteln und Festlegen des interessierenden Teilbereichs aus der Kamera nur noch Bilddaten aus dem interessierenden Teilbereich ausgelesen werden, da ein Auslesen von Daten, die anschließend nicht weiter verarbeitet werden, unterbleibt.In order to achieve a high measuring speed, the measures are in place partial that after determining and specifying the area of interest the camera only reads image data from the subarea of interest be, as a readout of data that is then no longer processed be omitted.
Ist vorgesehen, dass der interessierende Teilbereich automatisch festgelegt wird, so erübrigt es sich, dass ein Benutzer den interessierenden Teilbereich auswählt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht dabei darin, dass die Ausdehnung des interessierenden Teilbereichs in Abhängigkeit von dem Kriterium oder einer anderen Eigenschaft variabel festlegbar ist. Die Größe des interessierenden Teilbereichs kann dabei automatisch in Abhängigkeit von der zu betrachtenden Teilstruktur des Objektes gewählt werden, so dass sich eine weitere Optimie rung der Messung ergibt.If the subarea of interest is automatically determined, it is therefore unnecessary for a user to select the subarea of interest. An advantageous embodiment is that the extension of the subarea of interest depending on the criterion or a other property can be set variably. The size of the interested Sub-area can be automatically dependent on the one to be considered Partial structure of the object can be selected, so that there is further optimization measurement results.
Die Auswahl des interessierenden Teilbereiches kann dabei darauf beruhen, dass als Kriterium geometrische Daten oder Helligkeitsdaten zugrunde gelegt werden.The selection of the subarea of interest can be based on the fact that geometric data or brightness data can be used as a criterion.
Für die Auswahl des interessierenden Teilbereiches und die Messung kann sich ein weiterer Vorteil dadurch ergeben, dass die Helligkeit durch Steuerung der Lichtquelle oder des Lichtdurchganges in dem Referenzarm der Messaufgabe an gepasst wird.For the selection of the subarea of interest and the measurement can Another benefit is that the brightness is controlled by controlling the Light source or the passage of light in the reference arm of the measurement task is fit.
Zum Ermitteln des interessierenden Teilbereiches sind bei der Vorrichtung die Maßnahmen vorteilhaft, dass in der Erkennungseinheit das vorgegebene oder vorgebbare Kriterium betreffende Bezugsdaten abgespeichert oder abspeicherbar sind und eine Vergleicherstufe vorgesehen ist, in der zweidimensionale Mess daten den Bezugsdaten hinsichtlich einer Übereinstimmung gegenüberstellbar sind.To determine the area of interest, the device Measures advantageous that the predetermined or Reference data relating to predefinable criteria are stored or can be stored are and a comparator stage is provided in the two-dimensional measurement data can be compared with the reference data with regard to a match are.
Für die schnelle Durchführung der Bildaufnahme während der Tiefenabtastung und der Bildauswertung besteht ein günstiger Aufbau darin, dass die Kamera als CMOS-Kamera ausgebildet ist. Dabei kann je nach Eigenart der zu betrachtenden Struktur des Messobjektes eine CMOS-Kamera mit linearer oder mit logarith mischer Kennlinie vorteilhaft sein. Mit der logarithmischen Kennlinie ist eine Messung auch bei einer hohen Dynamik der Objektlichkeit möglich. Eine ähnliche Anpassung an die Messstruktur lässt sich auch durch eine stückweise Anpas sung der Kennlinie erzielen.For fast image acquisition during depth scanning and the image evaluation is a favorable structure that the camera as CMOS camera is formed. Depending on the peculiarity, the one to be considered Structure of the measurement object a CMOS camera with linear or with logarith mixer characteristic can be advantageous. With the logarithmic characteristic is one Measurement possible even with a high dynamic of objectivity. A similar Adaptation to the measurement structure can also be done by piece-by-piece adjustment achieve the characteristic curve.
Als interferometrische Messeinrichtung kann auch ein an sich bekanntes Hete rodyn-Interferometer oder ein anders aufgebautes Laser-Interferometer dienen.A hete known per se can also be used as an interferometric measuring device rodyn interferometer or another laser interferometer.
Eine vorteilhafte Verwendung des Verfahrens oder der Vorrichtung besteht da rin, dass das Verfahren oder die Vorrichtung in einen Produktionsprozess zur automatischen Überprüfung der hergestellten oder herzustellenden Erzeugnisse während der Fertigung eingebunden ist, da durch die hohe Messgeschwindigkeit der Fertigungsfluss aufrecht erhalten werden kann.There is an advantageous use of the method or the device rin that the method or the device in a production process for automatic verification of the manufactured or manufactured products is involved during production because of the high measuring speed the production flow can be maintained.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Be zugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.The invention is described below using an exemplary embodiment under Be access to the drawing explained in more detail.
Die Figur zeigt eine Interferometeranordnung 1 mit daran angeschlossener Kamera 2 und einer mit dieser verbundenen Bildverarbeitungseinheit 3.The figure shows an interferometer arrangement 1 with a camera 2 connected to it and an image processing unit 3 connected to it .
Die Interferometeranordnung ist vorliegend als Weißlichtinterferometer aus geführt, wobei das schmalbandige, kurzkohärente Licht einer Lichtquelle 1.1 über einen Strahlteiler 1.4 einerseits über einen Messarm 1.7 auf ein Messobjekt 1.2 und andererseits über einen Referenzarm 1.8 auf einen Referenzspiegel 1.3 geführt wird. Das von dem Referenzspiegel 1.3 und dem Messobjekt 1.2 zurück kommende Licht wird zum Auswerten der Interferenz über eine Abbildungsoptik 1.6 auf einen Bildaufnehmer 2.1 der Kamera 2 geführt. Zwischen der Lichtquelle 1.1 und dem Strahlteiler 1.4 ist eine als Linse 1.5 dargestellte Optik zur ge eigneten Strahlformung angeordnet.In the present case, the interferometer arrangement is designed as a white light interferometer, the narrow-band, short-coherent light from a light source 1.1 being guided via a beam splitter 1.4 on the one hand via a measuring arm 1.7 to a measurement object 1.2 and on the other hand via a reference arm 1.8 to a reference mirror 1.3 . The light coming back from the reference mirror 1.3 and the measurement object 1.2 is guided to an image sensor 2.1 of the camera 2 via an optical imaging system 1.6 for evaluating the interference. Between the light source 1.1 and the beam splitter 1.4 , an optics shown as lens 1.5 is arranged for ge suitable beam shaping.
Die Kamera 2 ist als CMOS-Kamera ausgeführt, die z. B. eine lineare oder eine logarithmische Kennlinie aufweisen kann und zum schnellen Aufnehmen der Lichtinformation und Auslesen der umgewandelten elektrischen Signale vorteil haft ist. Mit einer logarithmischen Kennlinie kann eine hohe Dynamik der Ob jektleuchtdichte störungsfrei bei der Weiterverarbeitung berücksichtigt werden. Die CMOS-Kamera lässt es auch zu, bestimmte interessierende Teilbereiche des Bildes auf dem Sensor auszuwählen und in der Bildverarbeitungseinheit 3 weiter zu verarbeiten.The camera 2 is designed as a CMOS camera, the z. B. can have a linear or a logarithmic characteristic and is advantageous for quickly recording the light information and reading out the converted electrical signals. With a logarithmic characteristic, a high dynamic of the object luminance can be taken into account without any problems during further processing. The CMOS camera also allows specific areas of interest of the image to be selected on the sensor and further processed in the image processing unit 3 .
Die Bildverarbeitungseinheit 3 weist eine Erkennungseinheit 3.2 auf, mit der ein zunächst aufgenommenes zweidimensionales Bild des Messobjektes hinsichtlich des interessierenden Teilbereichs untersucht und ausgewertet werden kann. Hierzu ist in der Erkennungseinheit 3.2 mindestens ein Kriterium, z. B. eine geometrische Form oder eine Helligkeitscharakteristik fest abgespeichert oder auch in Abhängigkeit von dem Messobjekt von Messobjekt zu Messosjekt vor gebbar, so dass durch Vergleich mit dem Kriterium der interessierende Teil bereich bestimmt wird. Dabei kann die Auslegung der Erkennungseinheit z. B. durch Programmierung derart sein, dass die Größe des interessierenden Teil bereiches in Abhängigkeit von eingegebenen Koordinaten gleich bleibt oder in Abhängigkeit von dem bekannten interessierenden Teilbereich dynamisch ange passt wird. Auch kann die Ausgestaltung derart sein, dass mehrere interessie rende Teilbereiche innerhalb des zweidimensionalen Bildes erkennbar und fest legbar sind.The image processing unit 3 has a recognition unit 3.2 , with which an initially recorded two-dimensional image of the measurement object can be examined and evaluated with regard to the subarea of interest. To this end, in the detection unit 3.2 is at least one criterion, eg. B. a geometric shape or a brightness characteristic is permanently stored or can also be specified depending on the measurement object from measurement object to measurement object, so that the area of interest is determined by comparison with the criterion. The design of the detection unit z. B. be by programming such that the size of the sub-area of interest remains the same depending on the entered coordinates or is dynamically adjusted depending on the known sub-area of interest. The configuration can also be such that a plurality of subareas of interest can be identified and fixed within the two-dimensional image.
Ist der mindestens eine interessierende Teilbereich bestimmt, so wird eine Rückmeldung an die Kamera 2 gegeben, und es werden nur noch die Daten des interessierenden Teilbereiches zu der Bildverarbeitungseinheit 3 übertragen und dort in einer Auswerteeinheit 3.1 während der anschließenden dreidimensionalen Messung ausgewertet. Dadurch lässt sich der Datenstrom von der Kamera 2 zu der Bildverarbeitungseinheit 3 wesentlich reduzieren und die Auswertezeit in der Auswerteeinheit 3.1 zudem wesentlich verkürzen. Beispielsweise können bei einem interessierenden Teilbereich mit einem Ausschnitt von 80 × 80 Bild punkten (Pixel) 1.000 Bilder pro Sekunde von der Kamera 2 zu der Bildverarbei tungseinheit 3 übertragen und eine entsprechend schnelle dreidimensionale Bildauswertung mit dem Höhendatensatz der Oberflächenstruktur des Messob jektes 1.2 in dem interessierenden Teilbereich zum Erhalten des Messergebnis ses durchgeführt werden.If the at least one subarea of interest is determined, feedback is given to the camera 2 , and only the data of the subarea of interest are transmitted to the image processing unit 3 and evaluated there in an evaluation unit 3.1 during the subsequent three-dimensional measurement. As a result, the data stream from the camera 2 to the image processing unit 3 can be significantly reduced and the evaluation time in the evaluation unit 3.1 can also be significantly reduced. For example, in a sub-area of interest with a section of 80 × 80 image points (pixels), 1,000 images per second can be transmitted from the camera 2 to the image processing unit 3 and a correspondingly fast three-dimensional image evaluation with the height data record of the surface structure of the measurement object 1.2 in the one of interest Subarea for obtaining the measurement result.
Denkbar ist auch, das gesamte Bild von der Kamera 2 zu der Bildverarbeitungs einheit 3 zu übertragen und nur den interessierenden Teilbereich in der Aus werteeinheit 3.1 dreidimensional auszuwerten. Dadurch wird der Datenstrom zwischen der Kamera 2 und der Bildverarbeitungseinheit 3 allerdings nicht reduziert, sondern lediglich der Aufwand für die Bildverarbeitung in der Aus werteeinheit 3.1.It is also conceivable to transmit the entire image from the camera 2 to the image processing unit 3 and to evaluate three-dimensionally only the subarea of interest in the evaluation unit 3.1 . As a result, the data stream between the camera 2 and the image processing unit 3 is not reduced, but rather only the effort for image processing in the evaluation unit 3.1 .
Zur dreidimensionalen Messung erfolgt die Tiefenabtastung des Messobjektes 1.2 durch die genannte relative Änderung des Lichtweges in dem Messarm 2.1 und der Referenzarm 1.8 beispielsweise durch Bewegen des Referenzspiegels 1.3 und Festhalten des Messobjektes 1.2 oder durch Bewegen des Messobjek tes 1.2 und Festhalten des Referenzspiegels 1.3 oder beider jeweils in Tie fenrichtung und Aufnahme der einzelnen Bilder während der so durchgeführten Tiefenabtastung (Tiefenscan).For three-dimensional measurement, the depth scan of the measurement object 1.2 is carried out by the relative change in the light path in the measurement arm 2.1 and the reference arm 1.8, for example by moving the reference mirror 1.3 and holding the measurement object 1.2 or by moving the measurement object 1.2 and holding the reference mirror 1.3 or both in the depth direction and recording of the individual images during the depth scanning (depth scan) carried out in this way.
Anstelle der Ausbildung der Interferometeranordnung 1 als Weißlichtinter ferometer kann eine Ausbildung z. B. als an sich bekanntes Heterodyn-Inter ferometer oder anderes Laser-Interferometer gewählt werden.Instead of training the interferometer arrangement 1 as a white light interferometer, training can be done, for. B. can be chosen as a known heterodyne interferometer or other laser interferometer.
Durch die mit dem Verfahren bzw. der Vorrichtung erreichte schnelle Messung kann z. B. ein Erzeugnis während seiner Herstellung hinsichtlich seiner Ober flächenbeschaffenheit in einem laufenden Herstellungsprozess überprüft werden, um eine Gut-/Schlecht-Beurteilung und gegebenenfalls eine Aussonderung vor nehmen zu können. Dabei ist eine 100%-Kontrolle während des Produktions prozesses erreichbar. Das Auswerteergebnis der dreidimensionalen Messung kann dabei z. B. zum Einwirken auf entsprechende Stellglieder im Fertigungs prozess 4 verwendet werden.Due to the rapid measurement achieved with the method or the device, e.g. B. a product can be checked during its manufacture with regard to its surface quality in an ongoing manufacturing process, in order to be able to make a good / bad assessment and, if necessary, sort it out. A 100% control can be achieved during the production process. The evaluation result of the three-dimensional measurement can, for. B. to act on corresponding actuators in the manufacturing process 4 .
Claims (10)
dass mittels der Bildverarbeitungseinheit (3) zunächst das gesamte von der Kamera (2) aufgenommene Bild zweidimensional hinsichtlich minde stens eines interessierenden Teilbereiches anhand mindestens eines vorgegebenen oder vorgebbaren Kriteriums untersucht wird und
dass anschließend die Auswertung einschließlich Tiefenrichtung nur für den interessierenden Teilbereich durchgeführt wird.1. Method for three-dimensional interferometric measurement, in which a measurement object ( 1.2 ) is scanned in the depth direction by changing the length of a light path in a reference arm ( 1.8 ) relative to the length of a light path in an object arm ( 1.7 ), and the surface shape by means of a camera ( 2 ) and an associated image processing unit ( 3 ) is determined, characterized in that
that by means of the image processing unit ( 3 ) the entire image recorded by the camera ( 2 ) is first examined two-dimensionally with regard to at least one subarea of interest using at least one predefined or predefinable criterion and
that the evaluation including depth direction is then only carried out for the subarea of interest.
dass für die dreidimensionale Abtastung des Messobjektes (1.2) eine Interferometeranordnung (1) mit dem Referenzarm (1.8) und dem Mess arm (1.7) vorhanden ist, wobei das interferierende Licht über eine Abbildungsoptik (1.6) auf einen Bildaufnehmer der Kamera (2) geführt ist, und
dass in der Bildverarbeitungseinheit (3) zum Bestimmen des interessie renden Teilbereichs eine Erkennungseinheit (3.2) und zum dreidimensio nalen Auswerten eine Auswerteeinheit (3.1) vorhanden ist.7. Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that
that for the three-dimensional scanning of the measurement object ( 1.2 ) there is an interferometer arrangement ( 1 ) with the reference arm ( 1.8 ) and the measurement arm ( 1.7 ), the interfering light being guided via an imaging lens system ( 1.6 ) to an image sensor of the camera ( 2 ) is and
that a detection unit ( 3.2 ) is present in the image processing unit ( 3 ) for determining the subarea of interest and an evaluation unit ( 3.1 ) for three-dimensional evaluation.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
| 8304 | Grant after examination procedure | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |