DE102017004429A1

DE102017004429A1 - Verfahren und Anordnung zur robusten, tiefenscannenden/ fokussierenden Streifen-Triangulation

Info

Publication number: DE102017004429A1
Application number: DE102017004429.5A
Authority: DE
Inventors: Klaus Körner
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2017-05-08
Filing date: 2017-05-08
Publication date: 2018-11-08
Anticipated expiration: 2037-05-09
Also published as: DE102017004429B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation mit strukturierter Beleuchtung zur strukturierten Beleuchtung mindestens eines Messobjekts und ein entsprechendes Verfahren zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation. Die umfasst einen Projektionsstrahlengang, einen vom Projektionsstrahlengang getrennten Detektionsstrahlengang, zumindest eine mustererzeugende Komponente, mindestens einen gerasterten Lichtdetektor mit Pixeln, mindestens ein Rechnersystem, und eine rechnersteuerbare Scanvorrichtung zum Tiefenscan des Messobjekts. Die Anordnung ist ausgelegt und eingerichtet, einen kontinuierlichen oder schrittweisen Tiefenscan durchzuführen, welcher eine Bewegung zumindest einer Komponente der Anordnung und/oder eine Variation der Brechkraft zumindest einer Komponenten der Anordnung im Projektionsstrahlengang umfasst. Im Projektionsstrahlengang und/oder im Detektionsstrahlengang der Anordnung sind mindestens zwei Planspiegelflächen angeordnet. Ferner ist die Differenz der Anzahl der Reflexionen an den Planspiegelflächen im Projektions- und im Detektionsstrahlengang null oder geradzahlig.

Description

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zur Tiefenscannenden Streifen-Triangulation, insbesondere für die 3D-Gestaltmessung in Mikroskopie und Mesoskopie.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Anmeldung auf 3D-Messverfahren mit flächenhafter strukturierter Beleuchtung unter Nutzung des Streifen-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 Detektionshauptstrahl.
Diese 3D-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 DetektionsObjektivs geneigt sein.
Die vorliegende Anmeldung betrifft also flächenhaft messende, fokussierende Streifen-Triangulations-Messverfahren bzw. Fokus-scannende oder Tiefenscannende Messverfahren, auf der Basis einer fokussierenden Streifen-Triangulations-Messanordnung.
Bei einer durchfokussieren Streifen-Triangulations-Messanordnung bzw. einer Tiefenscannenden Triangulations-Messanordnung, also bei Vorhandensein eines Triangulationswinkels, 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 3D-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 Sendemuster-Array bezeichnet werden. Die bewegte Komponente kann ebenfalls ein gerasterter bzw. strukturierter Empfänger sein. Der gerasterte Empfänger kann auch als Empfänger-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 A1 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 Beleuchtungsobjektivs 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-Komponente zur Phasenverschiebung. Dadurch bewegen sich die projizierten Streifen im Objektraum bei der 3D-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-Messverfahren 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 Anfangsphase 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-Einhüllenden im Idealfall null ist. So kann eine 3D-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 Signalauswertung bei der Weißlicht-Interfeometrie.
Der Ansatz zum internen Tiefenscan ist noch einmal generalisiert in DE 199 19 584 A1 sowie in der WO 2000/066972 A1 dargestellt. Hier wird ein interner Bewegungsscan eines Sendemuster-Arrays, also beispielsweise ein beleuchtetes Liniengitter, auch mit Bewegungsscan mit einer Lateral-Komponente beschrieben, um Wavelet-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 Abbildungsoptiken 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 projection technique (DSFP)," Optik 112, 433-441 (2001) [1]. Für das dreidimensionale Erfassen eines Objekts in der mikroskopischen oder der mesoskopischen 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 Detektionsstrahlengang 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 eines 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 pröjection 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. Beim 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 Tiefenscannenden Ansätzen mit internem Scan für die 3D-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.114-117(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 Streifenkontrast 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 A1 , wobei hierbei der Tiefenscan eines kompletten Stereomikroskops zumindest quasi-kontinuierlich 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 projection for absolute three-dimensional profiling", Optical 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 Lock-in-Algorithmus ausgewertet. Der Lock-in-Algorithmus wurde am Institut für Technische Optik der Universität Stuttgart für die Weißlicht-Interferometrie entwickelt und erstmals bei der fokussierenden Triangulation mit strukturierter Beleuchtung mittels eines 12,5-fachen Leica-Stereomikroskops adaptiert. Die 7b des Fachartikels [4] zeigt nur 2 bis 3 dominante Oszillationen unter der Kontrast-Einhüllenden. 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-Einhüllenden.
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 3D-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 H. Tiziani „Testing micro devices with fringe projection 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 3D-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 baugleichen 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 Streifentriangulations-Messanordnung doch als eher klein anzusehen ist. Schon bei diesem Triangulationswinkel zeigen sich so viele Oszillationen, also Perioden unter der Kontrast-Einhüllenden des Wavelets, 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 Streifen-Triangulationsanordnung. 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 3D-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 3D-Streifen-Triangulation mit externem Tiefenscan tritt bei einer durch das Messobjekt induzierten Schiefe der Kontrast-Einhüllenden des Wavelets 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 Objektnachverfolgung 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 A1 dargestellt. Auch der Fall des Triangulationswinkels null - also Structured Illumination Microscopy (SIM) ist in der Schrift DE 103 21 888 A1 in 7 mit Pixelnachverfolgung an einem bewegten Messobjekt präsentiert.
Seit den frühen 1990er 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 Translationsschlitten 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 3D-Messanordnung oder Komponenten derselben in der Tiefe zur Durchfokussierung des Objektraumes bewegt, eher seltener das Messobjekt. Das trifft in der Regel auf alle universellen 3D-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 nennen. Der in der Offenlegungsschrift DE 103 21 888A1 bereits 2004 publizierte Ansatz stellt ein Beispiel für eine derartige Lösung für ein fokussierendes 3D-Triangulations-Messverfahren 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 A1 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 „Threedimensional 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 Triangulationsanordnung 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 3D-Kamera mit parallelen optischen Achsen beschrieben. Eingesetzt werden in der Triangulationsanordnung zwei objektseitig zentralperspektivische Objektive. Diese 3D-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-Phasenschiebe-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 × 10 mm × 10 mm, mit Tiefen-Auflösungen im einstelligen Mikrometerbereich gemessen werden, beispielsweise 3D-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. Kohler, 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:10.1117/12.781822, 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 3D-Messung beschrieben.
In den Schriften DE 699 14 886 T2 und WO 99/52416 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 Koaxialität 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 3D-Gestaltmessung im Bereich der Mikroskopie, bereitzustellen, welche eher geringe Vergrößerungen aufweisen auch für den mesoskopischen Bereich geeignet sind.
Insbesondere soll eine 3D-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 3D-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 Detektion 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 Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation mit einer Streifen-Triangulationsanordnung zur strukturierten Beleuchtung mindestens eines 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.
Die Anordnung umfasst:

einen Projektionsstrahlengang,
einen vom Projektionsstrahlengang getrennten Detektionsstrahlengang,
zumindest eine mustererzeugende Komponente,
mindestens einen gerasterten Lichtdetektor mit Pixeln,
mindestens ein Rechnersystem;
eine rechnersteuerbare Scanvorrichtung zum Tiefenscan des Messobjekts.

Die zumindest eine mustererzeugende Komponente ist ausgelegt, zumindest ein Streifenbild bzw. Streifenmuster zu erzeugen, das auf das Messobjekt projiziert wird. Die zumindest eine mustererzeugende Komponente kann ein festes bzw. statisches oder ein steuerbares Liniengitter sein. Das steuerbare Liniengitter kann z.B. ein räumlicher Lichtmodulatoren oder ein steuerbarer Lichtgeber sein. Das Liniengitter kann selbstleuchtend sein (z.B. ein festes bzw. statisches oder steuerbares LED-Array) oder kann von einer oder mehreren Lichtquellen beleuchtet werden. Das Liniengitter kann ein transmissives oder reflektierendes Liniengitter sein. Die zumindest eine mustererzeugende Komponente kann z.B. senkrecht zur optischen Achse des Projektionsstrahlengangs angeordnet sein.
Die Scanvorrichtung kann rechensteuerbare Translations-Bewegungsmittel bzw. ein rechensteuerbares Translationssystem (z.B. einen Translationsschlitten) mit einer Translationsachse umfassen. Dem Translationssystem können sowohl der gerasterte Lichtdetektor als auch zumindest eine mustererzeugende Komponente starr zugeordnet sein, so dass das Translationssystem, der gerasterte Lichtdetektor und die zumindest eine mustererzeugende Komponente starr gekoppelt sind.
Die Anordnung und insbesondere die Scanvorrichtung ist ausgelegt, einen kontinuierlichen oder schrittweisen internen Tiefenscan durchzuführen, d.h. einen Tiefenscan welcher eine Bewegung zumindest einer Komponente der Anordnung und/oder eine Variation der Brechkraft zumindest einer Komponenten der Anordnung im Projektionsstrahlengang umfasst. Die beim Tiefenscan bewegte Komponente kann die zumindest eine mustererzeugende Komponente sein. Ferner wird beim Tiefenscan vorzugsweise gezielt die konfokale Bedingung geometrisch-optisch eingehalten. Um dies zu erzielen, wird die Anordnung ausgelegt und eingerichtet, ein Zusammenfallen der Bilder AS_O und BS_O der Strecken der Verschiebung im Objektraum zu realisieren.
Das Rechensystem kann unterschiedliche Module enthalten, wie z.B. ein Speichermodul, ein Steuerungsmodul mit einem Steuerungsprogramm zum Steuern der Scanvorrichtung und gegebenenfalls anderer Komponente und ein Auswertemodul mit einem Auswerteprogramm zum Auswerten der vom Lichtdetektor aufgenommenen Bilder. 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.
Im Projektionsstrahlengang und/oder im Detektionsstrahlengang sind mindestens zwei Planspiegelflächen angeordnet. Ferner ist die Differenz der Anzahl der Reflexionen an den Planspiegelflächen bzw. der Planspiegelflächen im Projektions- und im Detektionsstrahlengang null oder geradzahlig.
Die Anzahl der Reflexionen kann dabei im inneren Strahlengang (d.h. im Strahlengang zwischen dem Objekt und dem Liniengitter bzw. dem Objekt und dem gerasterten Detektor) im Projektionsstrahlengang und/oder im Detektionsstrahlengang eins betragen. Die Anzahl der Reflexionen im Projektionsstrahlengang und/oder im Detektionsstrahlengang kann auch zwei oder mehr betragen. Bevorzugt beträgt die Anzahl der Reflexionen im Projektionsstrahlengang zwei und im Detektionsstrahlengang null, da sich dann für den Detektionsstrahlengang eine einfache Geradeaus-Konstruktion ergibt.
Die mindestens zwei Planspiegelflächen bzw. Spiegelpaare sind zum Beispiel auf dem optischen Pfad von der zumindest einen musterzerzeugenden Komponente zum Messobjekt angeordnet. Im Detektionsstrahlengang sind die mindestens zwei Planspiegelflächen zum Beispiel auf dem optischen Pfad vom Messobjekt zum gerasterten Detektor angeordnet.
Die Triangulations-Anordnung mit zumindest zwei Planspiegelflächen bzw. Spiegelpaaren weist vorzugsweise eine Invarianz der Strahlablenkung im Strahlengang auf. Durch den Einsatz zumindest zweier Planspiegelflächen bzw. Spiegelpaare kann der Einfluss eines lateralen Führungsfehlers eines Translationssystems 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.
Die Planspiegelflächen können in Form eines Winkelspiegels (z.B. eines 90°-Winkelspiegels) oder eines Winkelspiegelprismas (z.B. eines Pentaprismas) im Projektions- und/oder Detektionsstrahlengang angeordnet sein.
Die Planspiegelflächen können z.B. in Form eines 90°-Winkelspiegels 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 Planspiegelflächen können auch in Form einer Winkelspiegelanordnung im Projektionsstrahlengang angeordnet sein, wobei der Gesamtablenkwinkel der Winkelspiegelanordnung im Projektionsstrahlengang, betrachtet z.B. von einer mustererzeugenden Komponente, wie beispielsweise einem Liniengitter, 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 eins aufweisen.
Die Projektions- und/oder Detektionsstrahlengang können unterschiedlich gestaltet werden.
So kann die optische Achse APA des Projektionsstrahlenganges auf der Seite der zumindest einen mustererzeugende Komponente bzw. im Array-Raum und die optische Achse ADA des Detektionsstrahlengangs im Raum des gerasterten Lichtdetektors bzw. im Array-Raum 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 Projektionsstrahlengangs ADA im Array-Raum im inneren Strahlengang parallel zu einander verlaufen. Der innere Strahlengang bezieht sich auf den Strahlengang 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 D1, 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 APA auch einen Winkel mit dem Betrag kappa_P zumindest näherungsweise von $kappa_P = Betrag {arctan [beta_strich_P*tan (beta)]}$
einschließen.
Die zumindest eine mustererzeugende Komponente (wie beispielsweise ein räumlicher Lichtmodulator, ein festes bzw. statisches Liniengitter, etc.) kann ferner senkrecht zur optischen Achse des Projektionsstrahlengangs stehen.
Der Projektions- und/oder der Detektionsstrahlengang können ferner ungefaltet (ohne Abknicken der jeweiligen optischen Achse) oder gefaltet (mit Abknicken der jeweiligen optischen Achse) sein. Der jeweilige Strahlengang kann z.B. mittels der zumindest zwei Planspiegelflächen gefaltet werden.
Die Scanvorrichtung kann 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.
Der Betrag des Abbildungsmaßstabes im Projektions- und/oder Detektionsstrahlengang kann einen Wert gleich eins oder einen Wert ungleich eins sein. Vorzugsweise ist der Betrag des Abbildungsmaßstabes 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 $beta_strich_D = beta_strich_P* [Wurzel von cos (beta)]$
$beta_strich_P = beta_strich_D* [Wurzel von cos (beta)]$
genügen.
Vorzugsweise ist die Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation ausgelegt und eingerichtet, ein telezentrisches Beleuchten des Messobjekts und/oder ein telezentrisches Abbilden des Messobjekts zu realisieren. So kann/können im Projektionsstrahlengang und/oder im Detektionsstrahlengang jeweils eine telezentrische Abbildungsstufe und/oder eine telezentrische Blende angeordnet sein. Die telezentrische Abbildungsstufe (die z.B. als ein telezentrisches Objektiv ausgebildet sein kann) im Projektions- und/oder Detektionsstrahlengang kann eine einseitig telezentrische Stufe sein. Die einseitig telezentrische Stufe kann insbesondere telezentrisch auf der Seite der mustererzeugenden Komponente bzw. des Array-Raums sein. Die telezentrische Abbildungsstufe kann eine beidseitig telezentrische Abbildungsstufe sein, d.h. eine Abbildungsstufe, die telezentrisch sowohl auf der Seite der mustererzeugenden Komponente bzw. des Array-Raums als auch auf der Seite des Messobjekts ist.
Der Projektions- und/oder der Detektionsstrahlengang können ferner ungefaltet (ohne Abknicken der jeweiligen optischen Achse) oder gefaltet (mit Abknicken der jeweiligen optischen Achse) sein.
Die Anordnung kann ferner ausgelegt sein, im Tiefenscan zumindest ein Wavelet, vorzugsweise zumindest zwei Wavelets zu erzeugen. In einem Beispiel werden mindestens ein, vorzugsweise zwei Wavelets mit Kontrasteinhüllender erzeugt. Das Erzeugen von zwei oder mehreren Wavelets umfasst eine zeitgleiche - dann vorzugsweise mit spektraler Trennung - oder eine sequenzielle Projektion von zwei Streifenbildern mit jeweils unterschiedlicher Triangulationswellenlänge auf das Messobjekt.
Die Anordnung kann insbesondere ausgelegt sein,

(i) gleichzeitig oder nacheinander zumindest zwei Gittermuster mit unterschiedlichen Gitterperioden p_1 und p_2 zu erzeugen und auf das Messobjekt durch den Projektionsstrahlengang zu projizieren, wobei die Gitterperioden p_1 und p_2 die Beziehungen: $p_2 \geq 1,01*p_1 und p_2 \leq 100*p_1,$
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_1 und beta_2 in der Streifen-Triangulationsanordnung bestehen, welche die Beziehungen $beta_2 \geq 1,01*beta_1 und beta_2 \leq 1,25*beta_1$
erfüllen;

Vorzugsweise erfüllen die beiden Gitterperioden p_1 und p_2 die folgenden Beziehungen: $p_2 \geq 1,01*p_1 und p_2 \leq 10*p_1 .$
Die Gitterperioden p_1 und p_2_f können z.B. die Bedingung p_2_f < 2*p_1 erfüllen, und die zumindest zwei Wavelets W1 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_1 des Wavelets W1. Dabei gibt die Schwebungsperiode (Schwebungs-Wavelet-Periode) pw_12 den Eindeutigkeitsbereich EDB vor.
Die Gitterperioden p_1 und p_2_g können auch die Bedingung p_2_g > 2*p_1 erfüllen, und die Wavelet-Periode pw_2 des zweiten Wavelets W2 kann mindestens doppelt so groß sein wie Wavelet-Periode pw_1 des ersten Wavelets W1. In diesem Fall ist das zweite Wavelet W2 gröber als das erste Wavelet W1 ausgebildet. Die Wavelet-Periode pw_2 gibt hierbei den Eindeutigkeitsbereich EDB vor.
Mit dem gerasterten Lichtdetektor und unter Nutzung des Detektionsstrahlengangs 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 kann einen Speicher zum Speichern der zumindest zwei Bildersätze umfassen.
Ferner kann das Rechensystem einen Auswertemodul umfassen, der eingerichtet ist:

zumindest zwei Wavelets W1 und W2 mit jeweils unterschiedlichen Wavelet-Perioden pw_1 und pw_2 aus den zumindest zwei Bildersätzen zu erzeugen, wobei die zumindest zwei Wavelets W1 und W2 jeweils eine Kontrast-Einhüllende CE_1, CE_2 aufweisen;
die Tiefenposition von einem angemessenen Messpunkt i des Messobjekts aus den zumindest zwei Wavelets W1 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 CE_1, CE_2 und pixelweises Phasenauswerten 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_1_i und phi_O_2_i modulo 2 Pi für ein Pixel i, welche im Pixel i sowohl dem Referenz-Phasenwert phi_R_1_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 CoG_W_1 der Kontrast-Einhüllenden des Wavelets W1 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 aus den errechneten Phasenwerten phi_O_1_i und phi_O_2_i modulo 2 Pi für ein Pixel i.

Das Erzeugen des zumindest einen Gittermusters 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 feste bzw. statische 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 Gittermustern mit den jeweils unterschiedlichen Gitterperioden p_1 und p_2 schaltet. Alternativ kann ein schaltbarer 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 Projektionsstrahlengang projiziert, so dass ein strukturiert 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 Liniengittern 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 Gittermuster mit unterschiedlich effektiven Gitterperioden p_eff_1 und p_eff_2 erzeugt. Das Liniengitter 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-Erzeugung 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 Normallage, nämlich 90° zur Triangulationsbasis, um den Drehwinkel 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 1/cos(psi_1) gegenüber der Normallage auf p_1=p/cos(psi_1) vergrößert. In dieser Position wird ein erster Tiefenscan durchgeführt und ein erster Bilderstapel aufgenommen, aus welchem sich für jeden Pixel das Wavelet W1 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 Normallage 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_1 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 im Vergleich zum ersten Wavelet W1 in diesem beschriebenen Fall etwas gedehnt ist. Der Tiefenscan bei der ersten Drehstellung kann z.B. im Hinlauf des Scans und bei der zweiten Drehstellung im Rücklauf des Scans durchgeführt werden.
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_1 die kleinere der beiden Gitterperioden darstellt.
Die beiden Positionen mit den Drehwinkeln psi_1 und psi_1 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 besteht darin, 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 steuerbare Blende vorbestimmt gesteuert zur Lichttransmission oder Lichtreflexion abwechselnd freigegeben werden. Dadurch wird der effektive Triangulationswinkel der Streifen-Triangulationsanordnung vorbestimmt gesteuert verändert, so dass nacheinander mindestens zwei unterschiedliche effektive Triangulationswinkel beta_1 und beta_2 in der Streifen-Triangulationsanordnung 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 Triangulationswinkel. Eine Variation des Schwerpunkts der Blendenöffnung beeinflusst die Triangulationswellenlänge, welche einen direkten Einfluss auf die Wavelet-Periode des Wavelets besitzt. 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 einem Hell-Dunkel-Übergang auf der Oberfläche, z.B. in Form eines auf der Objektoberfläche aufgedruckten Schwarz-Weiß-Musters.
Die Blendensteuerung 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 Triangulationswellenlängen bei Nutzung nur eines einzigen Projektionsstrahlenganges. 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 Wavelet-Perioden generiert werden.
Im Tiefenscan wird ein Bilderstapel im Speicher bei zeitlich abwechselnder Blendenöffnung aufgenommen und aus dem Bilderstapel werden durch abwechselndes Auslesen von zwei in der Periode unterschiedliche Wavelets W1 und W2 mit den Wavelet-Perioden pw_1 und pw_2, erzeugt. Dabei korrespondiert das Wavelet W1 mit dem effektiven Triangulationswinkel beta_1 und Wavelet W2 mit dem effektiven Triangulationswinkel beta_2. Durch den kontinuierlichen Tiefenscan weisen diese Wavelets W1 und W2 jeweils eine Kontrast-Einhüllende auf und können separat in einem digitalen Speicher abgespeichert werden.
Aus den Wavelets W1 und W2 wird die Tiefenposition für das Messobjekt pixelweise errechnet.
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 Tiefenscannenden Streifen-Triangulation zwei oder mehr Detektionsstrahlengänge 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.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tiefenscannenden Streifen-Triangulation umfassend Durchführen eines Tiefenscans mit einer Streifen-Triangulation-Anordnung zur strukturierten Beleuchtung mindestens eines Messobjekts nach dem ersten Aspekt.
Es ist möglich, das Verfahren zur Tiefenscannenden Streifen-Triangulation sowohl mit als auch ohne Wavelet-Erzeugenung durchzuführen. Bei einem Verfahren mit einer Wavelet-Erzeugung wird mindestens ein Wavelet erzeugt. Ein Verfahren mit einem Erzeugen von mindestens zwei Wavelets kann die folgenden Schritte umfassen:
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 $p_2 \geq 1,01*p_1 und p_2 \leq 100*p_1$
erfüllen; Projizieren durch den 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, so dass ein strukturiert beleuchtetes Messobjekt besteht; Verändern des Triangulationswinkels der Streifen-Triangulationsanordnung, so dass nacheinander mindestens zwei unterschiedliche effektive Triangulationswinkel beta_1 und beta_2 in der Streifen-Triangulationsanordnung bestehen, welche die Beziehungen $beta_2 \geq 1,01*beta_1 und beta_2 \leq 1,25*beta_1$
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 W1 und W2 mit jeweils unterschiedlichen Wavelet-Perioden pw_1 und pw_2 aus den zumindest zwei Bildersätzen, wobei die zumindest zwei Wavelets W1 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 W1 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, umfassend:

pixelweises Auswerten des Schwerpunkts mindestens einer der Kontrast-Einhüllenden;
pixelweises Phasenauswerten sowohl der Wavelet-Periode pw_1, 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_O_2_i modulo 2 Pi für ein Pixel i, welche im Pixel i sowohl dem Referenz-Phasenwert phi_R_1_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 W1 und/oder des errechneten Schwerpunktes der Kontrast-Einhüllenden des zweiten Wavelets W2 zumindest näherungsweise entsprechen; und
Errechnen der Tiefenposition für den Messpunkt i des Messobjekts aus den errechneten Phasenwerten phi_O_1_i und phi_O_2_i modulo 2 Pi für den Pixel i.

Bei dem obigen Verfahren werden mindestens zwei Wavelets mit Kontrasteinhüllender erzeugt. Dies kann durch eine zeitgleiche - dann vorzugsweise mit spektraler Trennung - oder durch eine sequenzielle Projektion von zwei Gitter- bzw. Streifenbildern mit jeweils unterschiedlicher Triangulationswellenlänge auf das Messobjekt erfolgen. Dieses 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 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.
Wie oben beschrieben können die aufgenommenen Sätze von Bildern, die jeweils den unterschiedlichen Gitter- bzw. Streifenmustern oder den unterschiedlichen Triangulationswinkeln entsprechen, in Form unterschiedlicher bzw. separater Bilderstappel gespeichert werden. Ebenfalls ist es möglich, die Bilder der einzelnen Sätze ineinander zu verschachteln und in Form eines Bilderstapels zu speichern, wobei der Bilderstappel abwechselnd bzw. alternierend Bilder des mit den unterschiedlichen Gittermustern oder bei unterschiedlichen Triangulationswinkel 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 W1 und W2 können separat in einem digitalen Speicher gespeichert werden. Die Referenz-Phasenwerte phi_R_1 modulo 2 Pi, phi_R_2 modulo 2 Pi können durch eine vorab durchgeführte Referenzmessung mittels eines Referenz-Messobjekts pixelweise bestimmt und in einem Datenspeicher abgelegt werden.
Wie oben beschrieben kann die Erzeugung des zumindest einen Gittermusters und der Tiefenscan in unterschiedlicher Weise realisiert werden.
Beispielhafte Anwendungsgebiete der vorgeschlagenen Verfahren und Anordnungen sind die Formmessung, Gestaltmessung, auch an extraoralen Dental-Komponenten und auch in Verbindung mit Mehr-Koordinaten-Messtechnik. Dabei stehen Objekte mit einer erheblichen Tiefenausdehnung 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 × 1mm × 1mm über 25mm × 25 mm × 25 mm und auch bis zu 200mm × 200 mm × 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 beta_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-cost-Bereich geeignet, wenn es beispielsweise eher um 3D-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 3D-Druck, können auch zur Mehrfachbestückung von Messsystemen in Verbindung mit kostengünstigen Schrittmotorantrieben genutzt werden.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen 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:

1a eine beispielhafte Triangulationsanordnung nach dem Stand der Technik;
1b eine Kontrastfunktion bei der Gitterabbildung in unterschiedlichen Tiefen in der Triangulationsanordnung aus 1a;
1c ein beispielhaftes Stereomikroskop mit der Triangulationsanordnung aus 1a;
1d ein weiteres beispielhaftes Stereomikroskop mit einer Triangulationsanordnung nach dem Stand der Technik;
1e ein mit dem Stereomikroskop aus 1d aufgenommenes Wavelet;
1f eine beispielhafte Triangulationsanordnung nach dem Stand der Technik;
1g ein mit der Anordnung aus 1d aufgenommenes Wavelet;
1h eine beispielhafte Triangulationsanordnung mit internen Tiefenscan nach dem Stand der Technik;
1i eine beispielhafte beidseitig telezentrische Abbildungsstufe zur Projektion und zur Detektion eines strukturiert beleuchteten Objekts nach dem Stand der Technik;
1j ein beispielhaftes Wavelet, welches pixelweise mit einer Anordnung nach den 1f, 1h oder 1i durch eine Messung erzeugt werden kann;
1k ein beispielhaftes symmetrisches Wavelet;
11 ein beispielhaftes asymmetrisches Wavelet
2 eine beispielhafte kontinuierlich Fokus-scannende Triangulationsanordnung mit einem Doppel-Wavelet-Ansatz und einem externen kontinuierlichen Scan.
3 ein beispielhaftes erstes Liniengitter mit einer ersten Gitterperiode p_1;
4 ein beispielhaftes zweites Liniengitter mit einer zweiten Gitterperiode p_2;
5 ein erstes Wavelet W1, welches aus dem ersten Liniengitter (3) resultiert;
6 ein zweites Wavelet W2, welches aus dem zweiten Liniengitter (4) resultiert;
7 die Schwebung der mit den Liniengittern aus 3 und 4 aufgenommenen Wavelets;
8a ein beispielhaftes erstes Wavelet WR1 für einen Referenzmesspunkt R, gehörend zu einem Pixel P, welches mit dem ersten Liniengitter (3) aufgenommen wurde;
8b ein beispielhaftes zweites Wavelet WR2 für einen Referenzmesspunkt R, gehörend zu einem Pixel P, welches mit dem zweiten Liniengitter (4) aufgenommen wurde;
8c die Schwebung der mit den Liniengittern aus 3 und 4 aufgenommenen Referenz-Wavelets;
8d ein beispielhaftes erstes Wavelet WO1 für einen Objektmesspunkt i, gehörend zu einem Pixel P_i, der mit dem ersten Liniengitter (3) gemessen wurde;
8e ein beispielhaftes zweites Wavelet WO1 für einen Objektmesspunkt i, gehörend zu einem Pixel P_i, der mit dem zweiten Liniengitter (4) gemessen wurde;
9 eine beispielhafte Triangulationsanordnung mit einem Doppel-Wavelet-Ansatz und einem externen Tiefenscan;
10 ein beispielhaftes erstes Liniengitter mit einer ersten Gitterperiode p_1_SLM;
11 ein beispielhaftes zweites Liniengitter mit einer zweiten Gitterperiode p_2_SLM;
12 eine beispielhafte Anordnung mit einem externen Tiefenscan, bei der auch die Farbe des Messobjekts ermittelt werden kann;
13 eine beispielhafte Triangulationsanordnung mit einem internen kontinuierlichen Scan;
14 eine beispielhafte Triangulationsanordnung basierend auf die Anordnung aus 13 mit zweiseitiger Beleuchtung;
15a eine beispielhafte Triangulationsanordnung mit zweiseitiger Beleuchtung;
15b eine beispielhafte Triangulationsanordnung mit zweiseitiger Beleuchtung;
16a bis 16g jeweils beispielhafte Triangulationsanordnungen mit einem internen Tiefenscan mit mindestens zwei Planspiegelflächen im Projektionsstrahlengang;
17 und 18 jeweils beispielhafte Triangulationsanordnungen mit einem internen Tiefenscan mit mindestens zwei Planspiegelflächen im Projektionsstrahlengang;
19 eine Triangulationsanordnung mit einem externen Tiefenscan mit zwei Liniengittern;
20 das erste Liniengitter, welches bei der Anordnung aus 19 verwendet wird;
21 das zweite Liniengitter, welches bei der Anordnung aus 19 verwendet wird.
22 das erste Wavelet, welches aus dem ersten Liniengitter (20) resultiert;
23 das zweites Wavelet, welches aus dem zweiten Liniengitter (21) resultiert;
24a ein erstes Wavelet für einen Referenzmesspunkt R, gehörend zu einem Pixel P, welches mit dem ersten Liniengitter (20) aufgenommen wurde;
24b ein zweites Wavelet für einen Referenzmesspunkt R, gehörend zu einem Pixel P, welches mit dem zweiten Liniengitter (21) aufgenommen wurde;
24c ein beispielhaftes erstes Wavelet für einen Objektmesspunkt i, gehörend zu einem Pixel P_i, der mit dem ersten Liniengitter (20) gemessen wurde;
24d ein beispielhaftes zweites Wavelet WO1 für einen Objektmesspunkt i, gehörend zu einem Pixel P_i, der mit dem zweiten Liniengitter (21) gemessen wurde;
25 eine beispielhafte Triangulationsanordnung mit einem internen Scan Anordnung mit einer in der Blendenebene angeordneten steuerbaren Blende;
26 ein erstes Wavelet W1_SLM, welches bei einer ersten Position der Blendenöffnung in 25 resultiert;
27 ein zweites Wavelet W2_SLM, welches bei einer zweiten Position der Blendenöffnung in 25 resultiert;
28 eine beispielhafte Triangulationsanordnung mit einem internen Tiefenscan, der „fliegend“ durchgeführt wird;
29 beispielhafte Liniengitter-Strukturen;
30 eine beispielhafte Triangulationsanordnung mit einem internen Tiefenscan mit einem drehbaren Liniengitter;
31 eine beispielhafte Triangulationsanordnung mit einem internen Tiefenscan mit einem drehbaren Liniengitter;
32 eine erste Drehstellung des drehbaren Liniengitters in 30 und 31; und
33 eine zweite Drehstellung des drehbaren Liniengitters in 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-Einhüllenden mit ihrer vollen Breite FW_00 eines Wavelet-Signals, z.B. n_FW_00 = 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 Detektionsobjektiv 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_00 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) $n_FW_00 \approx 1,22* [tan (beta_P) + tan (beta_D)] / NA_max$
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 3D-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 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-Einhüllenden 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 Extremfällen 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 +/-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 Objektraum 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 konfokalen Bedingung ist hierbei aber nicht a priori gegeben, sondern muss durch ein gezieltes Handling 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 A1 . 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 Lateralkomponente stellen die Strecken von Bildpunkten des Liniengitters im Objektraum Geraden dar, die in der Regel schiefwinklig zur optischen Achse der Abbildungsoptik für das Projektionssystem stehen. Hier gilt es die bekannte Scheimpflug-Bedingung zu beachten. Der Konvergenzpunkt K1 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 Anfangsphase 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 ein optisch kooperativ angesehen. 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 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 3D-Gestaltmessung in Mikroskopie und Mesoskopie, mit einer Streifen-Triangulation-Anordnung zur strukturierten Beleuchtung. Das Verfahren kann mit der in den 2 bis 12, 13, 14, 15a, 15b, 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 Steuerungs- und Auswerteprogrammen und
mit rechnersteuerbaren Bewegungsmitteln 8, 81 zum kontinuierlichen Tiefenscan ausgebildet.
Die Frontoptik 412, 4121, 4122 kann dabei als eine Linse, eine Spiegellinse, ein Spiegel oder als ein diffraktiv-optisches 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 Kosinus-Quadrat-Charakteristik sein, welches auch als Sinusgitter bekannt ist.
Mindestens in einem der beiden Strahlengänge, im Projektionsstrahlengang für die Abbildung des Liniengitters oder im Detektionsstrahlengang für die Rück-Abbildung des gerasterten Detektors oder sowohl in beiden Strahlengängen ist vorzugsweise die Scheimpflug-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_00 ≥ 6 unter der vollen Breite der Kontrast-Einhüllenden, 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 114 beleuchtet oder die Liniengitter sind Selbstleuchter. Das Licht von den Liniengittern 21, 22, 24, 25, 26 passiert jeweils die Blende 51 bzw. die Blendenebene 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 schaltbarer 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_1 und p_2 generiert.
Die Gitterperioden p_1 und p_2 erfüllen die beiden Beziehungen: $p_2 \geq 1,01*p_1 und p_2 \leq 100*p_1 .$
Für p_2 ≤ 1,5*p_1 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_1 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 1,5*p_1 ≤ p_2 ≤ 3*p_1 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 3fache der feinen Gitterperiode p_1.
Dabei wird/werden die Liniengitter 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_1 und p_2 geschaltet.
Oder, der schaltbare strukturierte Lichtgeber, vorzugsweise ein OLED, schaltet nacheinander Gitterperioden p_1 und p_2. Dieser wird bevorzugt rechnergesteuert.
Stets werden beleuchtete Liniengitter, Selbstleuchter, beleuchtete räumliche Lichtmodulator oder schaltbare strukturierte Lichtgeber auf das Messobjekt durch denselben Projektionsstrahlengang projiziert. So besteht ein mit Streifen strukturiert beleuchtetes Messobjekt und dieses Messobjekt wird unter Nutzung des Detektionsstrahlenganges 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 W1 und W2 mit den Wavelet-Perioden pw_1 und Wavelet-Perioden pw_2 erzeugt. Durch den Tiefenscan weisen diese Wavelets W1 und W2 jeweils eine Kontrast-Einhüllende CE auf und diese Wavelets W1 und W2 werden separat in einem digitalen Speicher abgespeichert.
Oder, es wird 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 W1 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 W1 und W2 werden separat in einem digitalen Speicher abgespeichert.
Aus den Wavelets W1 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_1 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-Phasenwerten (phi_R_1, phi_R_2) der Wavelet-Perioden pw_1 und pw_2 bestimmt. Diese Phasenwerte (phi_R_1 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.
Nun wird genau die Tiefenposition für einen Messpunkt des Messobjekts aus den errechneten Phasenwerten (phi_O_1, phi_O_2 modulo 2 Pi) pixelweise errechnet, welche sowohl dem Referenz-Phasenwert (phi_R_1 modulo 2 Pi) der Wavelet-Periode pw_1 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 W1 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.
Beispiel 1-1
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_1 die Wavelets W1 und W2 numerisch eine Schwebung mit mindestens einer Schwebungs-Periode pw_12 zueinander aufweisen, die mindestens doppelt so groß ist wie die Wavelet-Periode pw_1 des Wavelets W_1. 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_1 und p_2 mit p_2 > 2*p_1 das Wavelet W2 deutlich gröber als das Wavelet W1 ausgebildet werden, wobei die Wavelet-Periode pw_2 des Wavelets W2 mindestens doppelt so groß ist wie die Wavelet-Periode pw_1 des Wavelets W_1. Hierbei gibt die Schwebungs-Periode pw_2 den Eindeutigkeitsbereich EDB vor.
Beispiel 1-3
Bevorzugt wird bei dem Verfahren zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der Beispiele 1 bis 1-2 das Messobjekt - mittels einer telezentrischen Blende im Projektionsstrahlengang - telezentrisch 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 Mitteln 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 3D-Gestaltmessung in Mikroskopie und Mesoskopie, mit einer Streifen-Triangulation-Anordnung zur strukturierten Beleuchtung. Beispielhafte Ausführungen der Anordnung gemäß dem Beispiel 2 sind in den 2 bis 12,13, 14, 15a, 15b, 17, 19 bis 27 und 31bis 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-kontinuierlichen 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 Selbstleuchter angeordnet. Diese sind dann bevorzugt als OLEDs ausgebildet.
Diese räumlich separierten Liniengitter sind mit Gitterperioden p_1 und p_2 ausgebildet, stellen also Liniengitter dar, welche die beiden Beziehungen $p_2 \geq 1,01*p_1 und p_2 \leq 100*p_1$
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 Triangulationswinkel 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 Streifen-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 Tiefenscannenden 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 Wavelet-Signal-Erzeugung, insbesondere auch für die 3D-Gestaltmessung in Mikroskopie und Mesoskopie mit einer Streifen-Triangulation-Anordnung zur strukturierten Beleuchtung. Das Verfahren kann mit der in den 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 Projektionsstrahlengang 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 Bewegungsmitteln 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 Liniengitter 2, welches ein festes periodisches Liniengitter ist.

Der kontinuierliche Tiefenscan wird durch

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 Lichttransmission 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 $beta_2 \geq 1,01*beta_1 und beta_2 \leq 1,25*beta_1$
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 Triangulationsanordnung 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 Triangulationswellenlängen 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 Tiefenscan wird eine Folge von Bildern des strukturiert beleuchteten 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 W1 und W2 mit den Wavelet-Perioden pw_1 und pw_2, erzeugt und dabei korrespondiert das Wavelet W1 mit dem effektiven Triangulationswinkel beta_1 und Wavelet W2 mit dem effektiven Triangulationswinkel beta_2. Durch den kontinuierlichen Tiefenscan weisen diese Wavelets W1 und W2 jeweils eine Kontrast-Einhüllende auf und diese Wavelets W1 und W2 werden separat in einem digitalen Speicher abgespeichert.
Aus den Wavelets W1 und W2 wird mittels der Schwerpunktauswertung mindestens einer der Kontrast-Einhüllenden (CE_1, CE_2) sowie mittels der Phasenauswertung sowohl der Wavelet-Periode pw_1, welche einen Phasenwert (phi_O_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_1 und Wavelet-Periode pw_2 bestimmt. Diese Phasenwerte (phi_R_1 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_1, phi_2 modulo 2 Pi) pixelweise errechnet, und zwar genau die Tiefenposition, welche sowohl dem Referenz-Phasenwert (phi_R_1 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_1) der Kontrast-Einhüllenden des Wavelets W1 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 telezentrische Blende im Projektionsstrahlengang 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 telezentrische 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 telezentrische Blende im Detektionsstrahlengang angeordnet.
Beispiel 3-3
Bevorzugt ist weiterhin bei dem Verfahren zur kontinuierlich Tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der Beispiele 3 bis 3-2 im Projektionsstrahlengang eine telezentrische 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 A1 und DE 41 34 546 C2 beschrieben Ansatz. Das Verfahren kann mit den in den 31 bis 33 gezeigten Anordnungen durchgeführt werden. Die entstehenden Wavelets sind in den 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 Streifen-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 $p_eff_2 \geq 1,01*p_eff_1 und p_eff_2 \leq 10*p_eff_1$
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 Wavelets W1 der Wavelet-Periode pw_1 und erzeugt, wobei das Wavelet W1 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 W1 und W2 mit der Wavelet-Periode pw_1 und pw_2 erzeugt.
Wenn schnell gemessen werden soll, beispielsweise mit einer 100Hz-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 Tiefenscan 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 Drehwinkel 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 1/cos40° gegenüber der Normallage auf p_1=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 W1 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_1 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 W1 in diesem beschriebenen Fall etwas gedehnt ist. Es ist von Vorteil, wenn WinkelKombinationen 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_1 hier immer die kleinere der beiden Gitterperioden darstellt.
Beispiel 4-1
Die beiden Positionen mit den Drehwinkeln psi_1 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 Drehversteller 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 Hinlauf 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 3D-Gestaltmessung in Mikroskopie und Mesoskopie, mit einer Streifen-Triangulation-Anordnung zur strukturierten Beleuchtung. Beispielhafte Ausführungen der Anordnung gemäß dem Beispiel 6 sind in den 14, 15a, 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 Projektionsstrahlengang mit einer Blende 51,
mit einem vom Projektionsstrahlengang 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 Strahlumlenkung 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 Detektorbild fallen im Objektraum zusammen. Dies ermöglicht das Detektieren eines Objektpunktes durch dasselbe Pixel im Tiefenscan.
Diese so gestaltete Triangulationsanordnung weist nun gegenüber Führungsfehlern quer zur Verschiebungsrichtung des Translationsschlittens eine Unempfindlichkeit hinsichtlich der Phase an achssenkrechten Objektbereichen auf, da sich das Bild eines Gitterelements 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 Winkelspiegel-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 Projektionsstrahlengang 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 90°-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 telezentrischen 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.
Beispiel 6-4
Weiterhin beträgt in der Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der Beispiele 6 bis 6-3 der Triangulationswinkel 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 Detektionshauptstrahl und Translationsachse TA parallel ausgerichtet. Der Projektionshauptstrahl und die Translationsachse sind 45°zueinander ausgerichtet und es findet keine oder es finden zwei Reflexionen im Projektions-strahlengang - 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 Detektionsstrahlenganges (F_PD) Objektraum. Varianten dieser Ausführungsform sind z.B. in den 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 Detektionsstrahlengang 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 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 (R1 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 13, 14, 15a, 15b, 16a, 16b, 16c, 16d, 16e, 16f, 16g, 31 gezeigt.
Die Anordnung ist:

- mit mindestens einem Projektionsstrahlengang und
- mit mindestens einem vom Projektionsstrahlengang getrennten Detektionsstrahlengang, 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 Detektionsstrahlengang 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 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 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-Ablenkwinkel delta der Winkelspiegelanordnung im Detektionsstrahlengang weist den doppelten Winkelbetrag des Triangulationswinkels beta auf und die Translationsachse TA stellt die Winkelhalbierende zur optischen Achse des Projektionsstrahlenganges am Liniengitter (APA) und zur optischen Achse des Detektionsstrahlenganges 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 eins auf, da der Projektionsstrahlengang stärker als der Detektionsstrahlengang geneigt ist.
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 Differenz der Planspiegelflächen zwischen Projektionsstrahlengang 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 Wavelet-Signals zur Anwendung kommen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel 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 Detektionsstrahlengänge 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 Detektionsstrahlengang 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 Wavelet-Erzeugung eingesetzt werden. Beispielhafte Ausführungen der Anordnung gemäß den Beispielen 8-x sind in den 28 und 29 (Beispiel 8-1) und in 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 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 113, 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 Steuerungs- 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_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 $beta_strich_D = beta_strich_P* [Wurzel von cos (beta)] .$
Bei Einhaltung dieser Beziehung bleiben die Schärfeebenen im gesamten Tiefenscan im Abstand unverändert und bei entsprechender Tiefen-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_D1, kappa_D2) zumindest näherungsweise von $kappa_D = Betrag {arctan [beta_strich_D*tan (beta)]}$
ein.
Damit ist die Scheimpflug-Bedingung eingehalten und die Schärfeebenen von Projektionsstrahlengang und Detektionsstrahlengang liegen bei beidseitig telezentrischem Projektionsstrahlengang und Detektionsstrahlengang stets parallel. Durch Einhalten der Gleichung 2.1 fallen die Schärfeflächen - bei entsprechender einmaliger Justierung - im Objektraum im gesamten Tiefenscan stets zusammen.
Beispiel 8-1
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 8-2 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 113,
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.
Ferner umfasst 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 Abbildungsmaßstabes 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: $beta_strich_P = beta_strich_D* [Wurzel von cos (beta)] .$
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 Projektionsstrahlengang 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 Detektionsstrahlengang 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 $kappa_P = Betrag {arctan [beta_strich_P*tan (beta)]}$
ein.
Damit ist die Scheimpflug-Bedingung eingehalten und die Schärfeebenen von Projektionsstrahlengang und Detektionsstrahlengang liegen bei beidseitig telezentrischem Projektionsstrahlengang und Detektionsstrahlengang stets parallel. Durch Einhalten der Gleichung 2.2 fallen die Schärfeflächen - bei entsprechender einmaliger Justierung - im Objektraum im gesamten Tiefenscan stets zusammen.
Beispiel 8-4
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-Generierung
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_1 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_1 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) EDB geschaffen.
Typisch soll der jedoch der Eindeutigkeitsbereich maximal nur das 0,5fache der Ausdehnung von FW_00 (p_1) 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 Signalverläufe 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 behaftet 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 Tiefenscan-Ansatzes
Anordnungen mit einem externer kontinuierlichen Tiefenscan stellen hinsichtlich Messunsicherheit grundsätzlich das bessere Messverfahren dar, da die Optiken im Objektraum nur in einem recht eng begrenzten Tiefenbereich um die Fokusebene arbeiten. Das entspannt die Forderungen an die Korrektur der Optiken hinsichtlich Aberrationen - wie Verzeichnungen - in der Tiefe ganz wesentlich, da die Telezentrie 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 Automobil-Motorblöcke 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_1_O i und phi_2_Oi wird für das vorliegende Objekt-Phasen-Paar (phi_1_O i, phi_2_O_i) die Tiefenposition durch Rechnung bestimmt wo das Objekt-Phasen-Paar (phi_1_O_i, phi_2_O_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_1, p_2_f), oder um eine Fein- und eine Grobphase resultierend aus einer feinen (p_1) 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_1_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_1 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 Ausführungsformen, unabhängig vom verwendeten Ansatz
Es können feste Liniengitter (die Selbstleuchter sind oder von einer oder mehreren Lichtquellen beleuchtet werden), steuerbare Liniengitter (z.B. LED-Arrays) oder steuerbare räumliche Lichtmodulatoren (wie z.B. Flüssigkristallmodulatoren, 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 sehr präzise telezentrische Detektionsstufe 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 Amplituden-Liniengitter und LED-Beleuchtung reichen aus, um den hier beschriebenen Ansatz zur Streifen-Triangulation umzusetzen.
1a bis 1l zeigen Triangulationsanordnungen nach dem Stand der Technik ist in den 1a bis 1L dargestellt. Ausführungsformen der Erfindung sind in Zusammenhang mit den 2 bis 33 und elf Ausführungsbeispielen ohne eigene Figur beschrieben.
Die 1a bis 1c zeigen den aus der Druckschrift [3] bekannten Stand der Technik. Die 1a 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 1b zeigt die Kontrastfunktion bei der Gitterabbildung in unterschiedlichen Tiefen und die 1c die Umsetzung dieses Ansatzes mittels Stereomikroskop, wobei das Objekt hier einen schrägen Scan erfährt, jedoch parallel zur optischen Achse der Detektionsoptik, damit das Bild auf der Kamera nicht auswandert.
Die 1d 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 1. Das sich durch Messung ergebende Wavelet, veröffentlicht in [4] als 7b, ist hier in der Figur le 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. 1e 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 Schieberrichtung 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 1f und 1g zeigen eine Anordnung aus DE 198 46 145 A1 , siehe dort 3, mit einem internen Tiefenscan und das entstehende Signal in Form eines Wavelets mit einer Einhüllenden aus der Schrift DE 198 46 145 A1 , siehe dort 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 1g 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 vorteilhafterweise 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 1h mit einem internen Tiefenscan, entnommen aus 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 1j stellt die bei einer Objekt- und einer Referenzmessung sich ergebenden Wavelets mit KontrastEinhüllender dar, aus deren Verschiebung sich objektpunktweise 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 objektpunktweise ermittelt werden. Das Anordnen des Zentrums PZ_OA der Blende zur Detektion im Schnittpunkt K1 der objektseitigen Scheimpflug-Geraden 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-seitigen Pupillen der Objektive sollten im Unendlichen liegen.
Die 1i 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 A1 , 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 telezentrischen Detektionsobjektivs. Hier stellt die gegenläufige Bewegung von Gitter- und Kamera-Pixel-Bilder im Objektraum bei Führungsfehlern 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 1j stellt ein typisches Wavelet dar, welches pixelweise mittels einer Anordnung nach den 1f, 1h oder 1i durch eine Messung erzeugt werden kann. Dieses gemessene Wavelet wurde der Publikation [7)], , 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 1k 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. 1k. Die Ablage delta_z_CoG_koop_MW des errechneten Schwerpunkts mittels der Daten eines realen Messwertes von der Mitte des Wavelets liegt deutlich unter der Periode pw, welche den Eindeutigkeitsbereich EDB definiert. So ist eine Identifizierung der Streifenordnung auch durch unterschiedliche numerische Auswerte-Methoden in der Regel sicher möglich.
Die 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. 1L. Die Ablage delta_z_CoG_nicht-koop_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 2 stellt eine kontinuierlich Fokus-scannende Triangulationsanordnung mit dem Doppel-Wavelet-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 z-Translations-Schlitten 8 mit durch Messsystem 10 geregeltem Linearantrieb 9 und mit hochgenauem, hier nicht dargestellten Nullpunktgeber 11, 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_1 = 50µm und p_2_f= 60µm, also im Verhältnis 5 zu 6 angeordnet, dargestellt in den 3 und 4. Es gibt eine Schwebungsperiode mit p_12 = 300µm, symbolisch als Wavelet dargestellt in 7. Die Triangulationswellenlänge 1 mittels Liniengitter 21 beträgt 86,6 µm. Die Schrittweite der Tiefenabtastung bei den Bildaufnahmen im Tiefenscan beträgt für jedes der beiden Liniengitter 21 und 22 rechnerisch jeweils 9,62µm und bleibt unverändert im Tiefenscan. Mittels der rechnergesteuerten 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 711 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_00 ergibt sich für 30° und NA_P=0,04 mit Gleichung (1) zu näherungsweise 18 Perioden. Der Tiefenmessbereich beträgt 8 mm. Aus diesem Tiefenmessbereich ergibt sich ein wegen des notwendigen Vor- und Nachlaufs ein Tiefenscanbereich von maximal 10mm.
Zur Steuerung von Komponenten der Anordnung nach 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 3D-Punktwolken. Auf dem Display 171 des Rechnersystems 17 wird die gemessene 3D-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 2Pi für ein kürzeres Wavelet W1 und ein etwas längeres Wavelet W2 bestimmt, bezogen auf das Abtast-Raster, und deren Phasendifferenz modulo 2Pi mittels 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 3 ist die Transparenz des Liniengitters 21 mit cosinus-quadratförmiger Transparenz mit feiner Gitterperiode p_1 dargestellt. In 4 ist die Transparenz des Liniengitters 22 mit der Gitterperiode p_2 dargestellt. Im Rahmen dieser Anmeldeschrift weist das erste Liniengitter 21 mit p_1 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_1 und das 5-fache von p_1 beträgt.
Die 5 zeigt das erste Wavelet W1 über dem Scan-Weg z_s, welches aus dem feinen Liniengitter 21 resultiert. Dargestellt ist die Kontrasteinhüllende CE_1 sowie die aus dem Schwerpunkt der Kontrasteinhüllenden des Wavelets errechnete Tiefenposition z_CoG_1. Die 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 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 näherungsweise 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 delta_z_CoG_12_f_i zeigt die Differenz der Schwerpunktlagen in einem Pixel i. Dieser Wert delta_z_CoG_12_f_i ist im Idealfall null, wird aber durch Signalrauschen und Abtastfehler bei der Erstellung der Wavelets verursacht. Im Verfahren werden die Schwerpunkte CoG_1 und CoG_2_f der beiden Kontrasteinhüllenden CE_1 und CE_2 der Wavelets W1 und W2 bestimmt. Daraus wird die Differenz der Schwerpunktlagen delta_z_CoG_12_f errechnet. Ein dichtes Beieinanderliegen von CoG_1 und CoG_2_f, also ein geringer Wert von delta_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 Signalverläufe am Schwerpunkt berechnet.
Die 7 präsentiert als Modell die Schwebung der beiden feinen Liniengitter 21 und 22 in Form eines Wavelets mit der Schwebungsperiode 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 8a zeigt das Wavelet WR1 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 WR1 stammt aus einem Bilderstapel, der mit dem feinen Liniengitter 21 mit der Gitterperiode p_1 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 WR1 ist die Lichtquelle 101 für das Liniengitter 21 stets bei der Bildaufnahme für das Wavelet WR1 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 WR1 die Tiefenposition z_R_1_CoG mittels der bekannten Centers of Gravity-Rechnung, also durch eine Schwerpunktbestimmung der KontrastEinhüllenden des Wavelets dann aus dem vorliegenden Wavelet-Signal WR für jeden Referenzpunkt R bestimmt werden. Außerdem wird die Phase phi_R_1_CoG am Schwerpunkt der Kontrast-Einhüllenden bestimmt und gespeichert.
Die 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 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 Tiefenabtastung mit einer Unsicherheit von maximal 1% der Gitterperiode p_1 im Abtastschritt und stabil arbeitenden Lichtquellen gering sein sollte.
Die 8c stellt die errechnete Schwebung der Referenzsignale bzw. Referenzwavelets dar. Diese Schwebung in 8c wird nur dargestellt, um den Eindeutigkeitsbereich EDB zu erkennen, welcher der Schwebungsperiode pw_12 entspricht. Für das Schwebungssignal erfolgt hier keine Phasenauswertung.
Die 8d stellt ein Wavelet WO1 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 WO1 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 WO1 gegenüber dem Referenz-Wavelet WR1 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_1_CoG bestimmt und in dessen Umgebung jeweils die Orte der Phase phi_R_1_CoG bestimmt, wobei hier nur der Ort z_O_1 dargestellt ist.
Die 8e stellt Wavelet WO2 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_O_1_CoG bestimmt, an welchen die Phasenpaare aus den Wavelets WO1 und WO2 am besten mit den Phasenpaaren aus den Wavelets WR1 und WR2 übereinstimmen. Die Phasenpaare an den Positionen „-1“ und „+1“ scheiden aus, weil diese zu weit vom Schwerpunkt z_O_1_CoG entfernt sind. Bei sehr symmetrischen Wavelet-Signalen gemäß der 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-Wavelet-Ansatzes unverzichtbar.
Im Folgenden wird der Ablauf für ein beispielhaftes Verfahren mit zwei getrennten feinen Liniengittern, s.a. 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_1 die Tiefenposition z_R_CoG_1 des Centers of Gravity (CoG).
2. Bestimme in einer Referenzmessung einer hochebenen und lichtstreuenden Referenzplatte 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 Schwellwert delta_z_waste bevorzugt die halbe Periodenlänge des Liniengitters 21 mit der Periodenlänge p_1.
4. Verfahre mit den übrigen (gültigen) Pixel wie folgt:
5. Errechne den Phasenwert phi_R_CoG_1 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_1 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_1 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. 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_1 des Centers of Gravity.
2. Bestimme in einer Objektmessung für alle Pixel mittels Liniengitter 22 mit der Periodenlänge 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_1 - z_O_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 Periodenlänge p_1.
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_mittel_12 am nächsten liegt, und bestimme die Tiefenposition z_O_mittels desselben für alle Pixel.
8. Suche in den Objektmessungen für alle Pixel die Phasenwerte phi_CoG_O_p_1 und Phasenwerte phi_CoG_O_p_2 in unmittelbarer Umgebung von phi_12 CoG_R_mittel und bestimme die zugehörige Tiefenposition z_O 1 und z_O 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 „Unschärfe“ aufgrund der vergleichsweise großen Breite der Einhüllenden des zugehörigen Wavelets nicht zur Rechnung verwendet wird. Ein nutzbarer Kontrastschwerpunkt CoG leitet sich immer von einem feinen Liniengitter ab, also hier vom feinen Liniengitter 21 mit der Periode p_1, so dass der Kontrastschwerpunkt CoG_1 durch 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_1 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 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 objektseitig 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_1 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 10 zeigt ein mittels einem räumlichen Lichtmodulator 23 eingeschriebenes Liniengitter mit der Gitterperiode p_1_SLM zu einem Zeitpunkt tl und die 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 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 1:1-Abbildung, 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 111 für das Liniengitter 21 und von der Lichtquelle 112 für das Liniengitter 22 beleuchtet werden. Die Lichtquelle 111 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 111 und 112 werden im Wechsel gepulst. Dabei laufen beide Lichtquellen rechner-synchronisiert zu einer 2-Chip-Kamera 72, die einen Kanten-Farbteiler 34 für die Transmission von grünem Licht, welches strukturiert ist. Die Farbkorrektur der telezentrischen 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 telezentrischen 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 111 und das Detail 12.3 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 111 und 112 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 111 und 112 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 Farb-Informationen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel (1) zu 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 Ausführungsbeispiel (2) zu 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 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 p1=60µm und 22 mit p2_f=72µm, 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 Rechnersystem 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 Abbildungsmaßstab 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 Translationsachse 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 sich 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 Messfehler ergeben können. Die Lage der Liniengitter 21 und 22 in der unmittelbaren Nähe der Translationsachse TA minimiert den Einfluss von Kippfehlern 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 beta_D gleich null ist, mit der Gleichung $n_FW_00 \approx 1,22* [tan (beta_P) + tan (beta_D)] / NA$
$n_FW_00 \approx 1,22*tan (45 °) / 0,067 \approx 18$
eine Anzahl von 18 Perioden unter der Einhüllenden. Aus der 1:1-Abbildung der Abbildungsstufe 42 im Detektionsstrahlengang resultiert in Abhängigkeit von der Größe des Chips 731 der Kamera 73 ein Messvolumen, welches in der Regel unter 10mm × 10mm × 10mm liegt. Bei einem Kamera-Chip mit 5,6µm 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 Abtastschrittweite, also der Tiefenschritt zwischen zwei Bildern für die Aufnahme des Bilderstapels S am Translationsschlitten beträgt 5µm. Da die Lichtquellen 101 und 102 wechselseitig eingeschaltet sind, betragt für jedes aus dem Bilderstapel heraussortierte Wavelet die Abtastschrittweite 10µm.
Auch hier in der Anordnung nach 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', G1, 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 Oberflächengradienten fehlerarm gemessen werden sollen und bei Pixelgrößen um 3µm bis 6µm und für Gitterperioden p der Liniengitter von 50µm, maximal 1µm 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 Führungsfehlern, 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 13 entstehen die in den 5 und 6 dargestellten Wavelet-Signale. Die Auswertung dieser Wavelets 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 14 stellt die Anordnung nach 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 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 14, jedoch ohne Figur sind anstelle der zwei - wie in 14 - nun vier um 120° angeordnete Projektionsstrahlengänge 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 14, jedoch ohne eigene Figur sind anstelle der vier Liniengitter 21, 22, 25 und 26 - wie in 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 NA_PO von mindestens NA_PO=0,08 oder besser 0,1 einzusetzen. In diesem letzten Fall beträgt die Anzahl der Perioden unter der Einhüllenden $n_FW_00 \approx 1,22*tan (45 °) / 0,12 \approx 12,2.$
Für eine Vielzahl von eher kooperativen Messobjekten kann auch mit einer derartigen Messanordnung mit nur einem Wavelet zufriedenstellend gemessen werden.
In der 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=180°-2beta, damit die Bewegungsstrecken der BS_A parallel zu Translationsachse TA verlaufen, wodurch die konfokale Bedingung auch hier erfüllt ist.
In der 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.
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 Wavelets generiert und zur Messung verwendet werden können.
In einem Ausführungsbeispiel nach 16a 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 Ablenkwinkel delta beträgt 2beta=60°.
In einem Ausführungsbeispiel (5), basierend auf 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 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 Telezentriefehlern im gesamten adressierten Messvolumen zu optimieren.
In einem Ausführungsbeispiel nach 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 (NA_P=NA_D=0,1), um eine Voraussetzung zu schaffen, die Kamera mit einer hohen Bildfrequenz von 1kHz 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 Pixelnachverfolgung erfolgen kann, wie es bereits in DE 103 21 888 A1 beschrieben ist. Ein Wavelet ergibt sich stets aus einem virtuellen Pixel, welches jeweils denselben Objektpunkt mitverfolgt 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 Hochleistungs-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 Löt-Bumps.
In einem Ausführungsbeispiel zum internen Tiefenscan nach 16c wurde die Anordnung nach 16a um 15° gekippt. So beträgt der Betrag des Abbildungsmaßstabes auch hier in beiden Abbildungsstufen 1. Der Ablenkwinkel delta 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 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 16e steht der Translationsschlitten 81 mit der Translationsachse TA senkrecht. Der Ablenkwinkel delta 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 Scheimpflug-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 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 konfokale Bedingung eingehalten, da die Verschiebstrecken optisch konjugiert sind, d.h., die Phase am Schwerpunkt ist im Idealfall unabhängig von der gegebenen Tiefenposition eines Objektmesspunktes immer dieselbe. Jedoch zielen die BA_O-Strecken nicht in das Zentrum der Pupille, sondern schief. Deshalb muss es eine Pixelnachverfolgung 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 16d dargestellt - wird überflüssig, indem eine Doppelung der optischen Anordnung nach 16e vorgenommen wird. Das ist in 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 APA1 und APA2 sowie ADA1 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-Strecken 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 PixelNachverfolgung 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 Projektionsstrahlenganges NA_DO kann ebenfalls NA_DO =0,08 betragen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel (7) auf der Basis von 16f ohne Figur besitzt jeder Teilstrahlengang seinen eigenen Translationsschlitten 81.
In einem Ausführungsbeispiel nach 16g gibt es eine externe Objekt-Querbewegung mit Fokussierung. Bei einem Ausführungsbeispiel nach 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 16g ohne Figur besitzt jeder Teilstrahlengang seinen eigenen Translationsschlitten 81.
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 17 beträgt der Betrag des Abbildungsmaßstabes beta_strich für die Projektionsstufe Betrag(beta_strich_P)=0,5. Aus dem Einsatz eines 90°-Pentaprisma 4131, 4132 ergibt sich der Ablenkwinkel delta zu 90°. Damit die Bilder BS_O 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 $Betrag (beta_strich_P) = {tan}^{2} (beta)$
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 60µm und die Liniengitter 22 und 26 eine Gitterperiode von 72µm 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 Tiefenscan 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 viel 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 Ausführungsbeispiel nach 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 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 11,5 Perioden unter der Einhüllenden auf, was die bekannten 2Pi-Phasensprünge bei kooperativen, kantenfreien 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 19 stellt eine Triangulationsanordnung mit einem externen Tiefenscan mit zwei Liniengittern dar. Das Liniengittern 21 besitzt eine Gitterperiode pd1 von pd1=50µm und das Liniengitter 24 ist ein vergleichsweise grobes Liniengitter mit einer Gitterperiode von 300µm. 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 110 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 cyanfarbigem Licht und die Reflexion von Licht außer der Farbe Cyan angeordnet sowie mit einem Chip 741 für das gefilterte, strukturierte cyanfarbige 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 Kontrastfunktion vom feinen Liniengitter 21 wird ausgewertet.
Die 20 und 21 stellen das feine 21 und das grobe Liniengitter 24 für die Anordnung nach 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 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 19 wird jedes Wavelet aus seinem separaten Bilderstapel extrahiert.
Die 24a bis 24d zeigen in Analogie zu den 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 W1, 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 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.
25 zeigt eine Triangulationsanordnung mit einem internen Scan Anordnung mit einem in der Blendenebene angeordneten ferro-elektrischen Flüssigkristall 54, der als eine steuerbare Blende dient. Die mittels diesem erzeugbare Verschiebung v_BZ des Blendenzentrum 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_A 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_1 und pw_2 in den Wavelets beeinflusst, wie in den 26 und 27 dargestelt. Die 26 und 27 zeigen die schon aus den 5 und 6 bekannten Wavelets W1_SLM und W2_SLM, die im Tiefenscan auch hierbei entstehen. Die Auswertung der Wavelets entspricht der Beschreibung zur Figurengruppe 8 sowie den Darstellungen in der Figurengruppe 8.
Die Triangulationsanordnung nach 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 ungefaltet und steht senkrecht auf der Schärfefläche F_PD. Dadurch sind die optischen Achsen APA und ADA im Array-Raum Parallelen. Die Differenz der Planspiegelflächen zwischen dem Projektions- 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 6,8µm. Somit beträgt p_1=81,6µm und p_2_f=108,8µm. 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 Liniengitter-Strukturen gemäß 29, wo auf der Referenzzeile Rz jeweils die Phase null liegt, als ein Intensitätsmaximum eines hellen Streifens. In 29 stellt die Farbe schwarz das IntensitätsMaximum dar. Zwischen jeder Bildaufnahme wird die Tiefenlage von SLM 23 und Kamera 73 jeweils um 1/[8*(p_1+p_2_f) verstellt bis der Streifenkontrast gegen null geht. Das entspricht hier einer Tiefenverstellung zwischen zwei Bildaufnahmen von 23,8µm. 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-Algorithmus 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 concept 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 Tiefenschritten von (p_2_f)/4, was hier 27,2µm entspricht, erfolgen. Dabei gibt es nur die Projektion der zweiten Liniengitter-Struktur. Das geschieht jeweils mit einem Phasenschritt zwischen den Bildaufnahmen von jeweils Pi/2 für diese zweite Liniengitter-Struktur, was hier eine Verschiebung der Liniengitterstruktur um 4 Pixel, bedeutet. Dann erfolgt im Rücklauf mit Tiefenschritten von (p_1)/4, was hier 20,4µm entspricht, nur die Projektion der ersten Liniengitter-Struktur. Das passiert jeweils mit einem Phasenschritt zwischen den Bildaufnahmen von jeweils Pi/2 für diese erste Liniengitter-Struktur, was hier eine Verschiebung der Liniengitterstruktur 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 29 zeigt das Display eines Flüssigkristall-Displays 23 (als Beispiel eines räumlichen Lichtmodulators) für die Anwendung in einer Anordnung nach 28. Dargestellt sind die beiden - zu unterschiedlichen Zeiten t1 und t2 - eingeschriebenen etwas unterschiedlichen Liniengitter-Strukturen zu Beginn der Messung, die jeweils 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-Algorithmus nach Schwider-Hariharan oder dem 4. Intensitätswert beim oben genannten 7-Step-Algorithmus [7] nach Peter de Groot. Oder bei einem (2n+1)-Phasenschiebe-Algorithmus mit n=1, 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 30 wird eine Triangulationsanordnung mit einem internen Tiefenscan präsentiert, bei welcher der Triangulationswinkel 45° beträgt. Im Projektionsstrahlengang ist eine Winkelspiegel-Anordnung 47 mit zwei Planspiegeln 471, 472 angeordnet, welche den Strahlengang um 45° umlenkt. Der Detektionsstrahlengang ist ungefaltet und so sind die optische Achse des Projektionsstrahlenganges 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 Scheimpflug-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 31 mit einem internen Tiefenscan basiert zum Teil auf Anordnung 16a. In der 30 wird ein rechnergesteuert drehbares Liniengitter 27 mit der Gitterperiode p=60 µm 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_1 gleich 40. So ist die effektive Gitterperiode um 1/cos40° gegenüber der Normallage auf p_1=60/cos40°=78,32µm vergrößert. Es wird mit diesem rechnergesteuert drehbaren Liniengitter 27 ein erster Tiefenscan durchgeführt und ein Wavelet W1 aufgenommen (siehe dazu auch 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 µm beträgt. So kann eine erste feine Gitterperiode p_1=78,32 µm und anschließend eine zweite Gitterperiode p_2_f =93,34 µm dargestellt werden und das oben beschriebene Verfahren angewendet werden, indem nun ein zweiter Tiefenscan 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 W1 in diesem beschriebenen Fall etwas gedehnt ist. Dabei gilt, dass die erste effektive Gitterperiode p_1 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 Projektionsstrahlengang wird durch Nutzung verschieden farbiger Lichtquellen 113a und 114a verhindert. Es ist eine grüne Lichtquelle 113a links und eine cyanfarbige Lichtquelle 114a rechts angeordnet. Jedem Projektionsstrahlengang 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 W1 und W2 mit etwas unterschiedlicher Wavelet-Periode pw_1 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 Ausführungsbeispiel (10) wird mit einer grünen Lichtquelle 113a 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 (11) ohne Figur, basierend auf der Anordnung nach 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-Messmaschine dann die Weg-Referenz darstellen.
Die 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 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 internem 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 Bilderstapel 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 sequenzielle 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 Strahlengang aufweisen. Durch den Einsatz dieser Spiegelpaare kann der Einfluss eines lateralen Führungsfehlers eines Translationssystems 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

Begriff oder Abkürzung	Definition oder Erläuterung
ADA	optische Achse im Detektionsstrahlengang auf der Seite des gerasterten Detektors
ADO	optische Achse im Detektionsstrahlengang auf der Seite des Messobjekts
AK	Abtastkamm mit vielen Stützstellen, Die Abtastung des Wavelets ist deutlich feiner als die Periodenlänge der Wavelets, damit das Abtast-Theorem erfüllt ist.
alpha	Aperturwinkel eines Objektivs, auch Randstrahlenwinkel
APA	optische Achse im Projektionsstrahlengang auf der Seite der Arrays (Liniengitter), APA1, APA2
APO	optische Achse im Projektionsstrahlengang auf der Seite des Messobjekts, APO1, APO2
Array-Raum	Raum, wo sich Liniengitter oder räumlicher Lichtmodulator und Kamera-Chip oder auch mehrere Kamera-Chips in der optischen Anordnung befinden. Die optischen Achsen ADA und APA liegen im Array-Raum.
AS_A	Strecke der Verschiebung des gerasterten Detektors (Kamera) im Array-Raum
AS_O	Bild der Strecke der Verschiebung des gerasterten Detektors (Kamera) im Objekt-Raum Fällt bei Einhaltung der konfokalen Bedingung mit einer Strecke BS_O im Objekt-Raum zusammen oder liegt zu dieser zumindest parallel
AS_Aj	Strecke der Verschiebung eines Pixels j des gerasterten Detektors (Kamera) im Array-Raum
AS_Oj	Bild der Strecke der Verschiebung eines Pixels j des gerasterten Detektors (Kamera) im Objekt-Raum AS_Oj fällt bei Einhaltung der konfokalen Bedingung mit einer Strecke BS_Oj der Verschiebung im Objekt-Raum zusammen
b_M	Breite des Messbereichs
beta	Gesamt-Triangulationswinkel = beta_P + beta_D
beta_D	Triangulationswinkel des Detektionsstrahlenganges, zählt zwischen dem Hauptstrahl des Detektionsstrahlenganges und der Normale der Schärfefläche zur Normale der Ebene der optisch konjugierten Ebene der Detektorfläche (Chipfläche)
beta_P	Triangulationswinkel des Projektionsstrahlenganges, zählt zwischen Hauptstrahl des Projektionsstrahlenganges und der Normale der Schärfefläche zur Normale der Ebene der optisch konjugierten der Detektorfläche (Chipfläche)
beta_strich	Abbildungsmaßstab in den achssenkrechten Flächen (Lateralgröße, Y-Achse) Der Abbildungsmaßstab bestimmt sich in der gesamten Schrift stets aus dem Quotienten Y_Array-Raum zu Y_Objektraum.
beta_strich_P	Abbildungsmaßstab in den achssenkrechten Flächen (Lateralgröße, Y-Achse) bei der Projektion, gerechnet vom Array-Raum, wo das Liniengitter steht, in den Objektraum, (Y_Array)/(Y_Objekt)
beta_strich_D	Abbildungsmaßstab in den achssenkrechten Flächen (Lateralgröße, Y-Achse) bei der Detektion, gerechnet vom Array-Raum, wo der Kamera-Chip steht, in den Objektraum (Y_Array)/(Y_Objekt)
BS_A	Strecke BS_A der Verschiebung des Liniengitters
BS_O	Bild der Strecke BS_A des Liniengitters im Objektraum BS_O fällt bei Einhaltung der konfokalen Bedingung mit der Strecke AS O im Objekt-Raum zusammen.
BS_Aj	Strecke BS_Aj der Verschiebung eines Elements j des Liniengitters
BS_Oj	Das Bild der Strecke BS_Aj der Verschiebung eines Elements des Liniengitters im Objektraum 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_1(t1)	Blendenzentrum 1 der Detektion zum Zeitpunkt tl
BZ_2(t2)	Blendenzentrum 2 der Detektion zum Zeitpunkt t2
CE	Kontrasteinhüllende
CE_O	Kontrasteinhüllende einer Objektmessung
CE_O_symm_i	symmetrische Kontrasteinhüllende einer Objektmessung für einen Objektpunkt i
CE_O_asymm_i	asymmetrische Kontrasteinhüllende einer Objektmessung für einen Objektpunkt i
CE_R	Kontrasteinhüllende einer Referenzmessung, Diese sollte zumindest näherungsweise stets symmetrisch sein.
CoG	Center of Gravity (Schwerpunkt der Kontrasteinhüllenden)
delta	Ablenkwinkel im Strahlengang („Knickwinkel“ der optischen Achsen)
delta z_T	mechanische Verschiebung des Translationsschlittens 80 oder 81
delta z_CoG_koop_MW_i	Ablage des Schwerpunkts (CoG) von der Mitte des Wavelets eines koop Messpunktes, detektiert durch Pixel i
delta z_CoG_nichtkoop MW i	Ablage des Schwerpunkts (CoG) von der Mitte des Wavelets eines nichtkooperativen Messpunktes, detektiert durch Pixel i
delta_z_CoG_12_f_i	Differenz der Schwerpunktlagen der beiden feinen Wavelets, detektiert durch Pixel i Das ist ein Qualitätskriterium. Ideal ist delta_z_CoG_12_f_i = 0. Je kleiner delta_z_CoG_12_f_i ist, desto besser. Das Einhalten der Bedingung: delta_z_CoG_12_f_i <1/10 p_1 gilt schon als sehr gut.
delta_z_O_i	Abstand des Objekt-Messpunktes i von Referenz-Messpunkt i, detektiert durch Pixel i delta_z_O_i ergibt sich aus dem Scanweg in z-Richtung nach Referenz- und Objektmessung über die errechneten Tiefen-Positionen.
delta_z_RO_1_CoG_i	Differenz der Schwerpunktlagen der beiden feinen Wavelets (und W_R_1) von Referenzmessung und Objektmessung, detektiert durch Pixel i Im Idealfall ist delt_z_RO_1_CoG_i = delta z_O_i. Gut ist: Betrag(delta_z_RO_1_CoG_i-delta_z_O_i)<1/10p_1, Noch akzeptabel ist: Betrag(delta_z_RO_1_CoG_i-delta_z_O_i) <1,5p_1
delta_z_sc	Abtast-Schrittweite im Scan [µm]
EDB_pw	Eindeutigkeitsbereich in Mikrometern, der durch die Periode pw gegeben ist
EDB_12	durch Doppel-Wavelet mit zwei feinen Perioden gegebener Eindeutigkeitsbereich in Mikrometern (i. d. R. schmaler als FW_00) EDB_12 ergibt sich aus der rechnerischen Schwebung der Perioden pw 1 und pw 2, ist also gleich pw 12.
EDB_2_g	durch Doppel-Wavelet mit einer feinen und einer groben Periode gegebener Eindeutigkeitsbereich in Mikrometern (i. d. R. schmaler als FW_00) (EDB_2_g ergibt sich aus der groben Periode pw_2g im Fall der Nutzung eines groben Liniengitters, also gilt: EDB_2_g = pw_2g.
F_PD	gemeinsame aktuelle Schärfeebene von Projektions- und Detektionsstrahlengang im Objektraum, die sich beim Tiefenscan in der Tiefe verschiebt
konfokale Bedingung	Das Einhalten der konfokalen Bedingung beim Tiefenscan führt zu einem permanenten Zusammenfallen im Objektraum eines Bildes eines Pixels des gerasterten Detektors mit dem Bild eines Elementes des Liniengitters, wodurch die Bilder BS_O und AS_O aller Verschiebungsstrecken (BS_A und AS_A) im Objektraum permanent zusammenfallen. Das Einhalten der konfokalen Bedingung beim internen Tiefenscan erfolgt durch die Wahl der Strecken der Verschiebung BS_A und AS_A unter Berücksichtigung der Geometrie der optischen Anordnung. Der Vorteil des Einhaltens der konfokalen Bedingung besteht in der Konstanz der Phase - zumindest näherungsweise unabhängig von der Tiefenlage eines Messpunktes - am Schwerpunkt der Kontrasteinhüllenden eines generierten Wavelets. Dies stellt bei der Auswertung von Wavelets einen sehr großen Vorteil dar.
NA_DA	Numerische Apertur im Detektionsstrahlengang im Array-Raum
NA_DO	Numerische Apertur im Detektionsstrahlengang im Objektraum
NA_PA -	Numerische Apertur im Projektionsstrahlengang im Array-Raum, auch NA PA1 und NA PA2
NA_PO -	Numerische Apertur im Projektionsstrahlengang im Objektraum, auch NA POl und NA PO2
n_EDB_12	Anzahl der feinen Perioden mit der Periodenlänge p_1 (erstes Liniengitter 21) im Eindeutigkeitsbereich EDB 12
n_EDB_2_g	Anzahl der feinen Perioden mit der Periodenlänge p_1 (erstes Liniengitter 21) im Eindeutigkeitsbereich EDB_2_g
Streifen- Triangulations-Messanordnung	Flächenhaft messende Triangulations-Messanordnung
FW_00	volle Breite der Kontrast-Einhüllenden-Funktion in Mikrometer, von erster Nullstelle links zu erster Nullstelle rechts der Kontrastfunktion, s. 5
F-Ebene_DO	Brennebene des Detektionsstrahlenganges im Objektraum
F-Ebene PO	Brennebene des Projektionsstrahlenganges im Objektraum
F_PD	zusammenfallende Brennebene des Detektionsstrahlenganges und des Projektionsstrahlenganges im Objektraum
kappa_D1, kappa_D2,	Betrag des Winkels zwischen der Flächennormale des gerasterten Detektors (731) und der optischen Achse des Detektionsstrahlenganges (ADA)
kappa_P	Betrag des Winkels zwischen der Flächennormale des räumlichen Modulators (23) und der optische Achse des Projektionsstrahlenganges (APA)
kontinuierlicher oder quasikontinuierlicher Scan	Zwischen zwei Bildaufnahmen vom Messobjekt mittels gerasterten Detektors gibt es stets eine Tiefenbewegung, oder stets einen Tiefen-Bewegungsschritt oder stets einen Bewegungsschritt zumindest mit einer Tiefenkomponente.
n_FW_00	Anzahl der Perioden n über dem vollen Bereich (Full Width) der Kontrast-Einhüllenden, also von Nullstelle zu Nullstelle, s. 5 n_FW 00 ≈ 1,2* [tan( beta_P)+tan(beta_D)]/NA_max
Objektraum	Raum zwischen Messobjekt und den optischen Frontelementen - i. d. R. Linsen - von Projektions- und Detektionsstrahlengang, Die optischen Achsen ADO und APO liegen im Objekt-Raum.
p_1	1. Gitterperiode, die immer eine feine Gitterperiode ist, Die 1. Gitterperiode p_1 ist auch stets die kleinste Gitterperiode in der Anordnung - als feste Annahme in dieser Schrift, p_1 ist also stets kleiner als p_2_f oder gar p_2_g. p_1 wird durch ein festes Liniengitter oder durch einen räumlichen Lichtmodulator dargestellt.
p_2	2. Gitterperiode, die durch Definition stets größer als p_1 ist und bevorzugt eine feine oder eine grobe Gitterperiode sein kann. p_2 wird durch ein festes Liniengitter oder durch einen räumlichen Lichtmodulator dargestellt.
p_2_f	2. Gitterperiode, die eine feine Gitterperiode darstellt, Durch Definition ist p_2_f stets größer als p_1. p_2_f wird durch ein festes Liniengitter oder durch einen räumlichen Lichtmodulator dargestellt.
p_2_g	2. Gitterperiode, die hier definitionsgemäß stets eine grobe Gitterperiode darstellt, also in Relation zu p_1 und p_2_f p_2_g ist stets größer als p_1 und p_2_f. Die grobe Gitterperiode p_2_g ist hier definitionsgemäß immer die größte Periode in der Anordnung, also stets größer als p_2_f. p_2_g wird durch ein festes Liniengitter oder durch einen räumlichen Lichtmodulator dargestellt.
P1	äußerer Punkt auf feinem Liniengitter 21
P2	äußerer Punkt auf feinem Liniengitter 22
P_i	Pixel i
phi_1_i	Phasenverlauf der durch das Wavelet W1 (Gitterperiode p_1) in einem Pixel i gegeben ist
phi_2_f_i	Phasenverlauf der durch das Wavelet W2 (Gitterperiode p_2_f, also feine Periode) in einem Pixel i gegeben ist
phi_2_g_i	Phasenverlauf der durch das Wavelet W2 (Gitterperiode p_2_g, also grobe Periode) in einem Pixel i gegeben ist
phi_O_1_i modulo 2 Pi	ein pixelweise errechneter Phasenwert modulo 2 Pi, erzeugt mittels Liniengitter 21, für einen Objektmesspunkt i des Messobjekts in einem Pixel i Der Objektmesspunkt i korrespondiert mit einem Pixel i des gerasterten Detektors, da Objektmesspunkt i und Pixel i optisch konjugiert sind.
phi_O_2_i modulo 2 Pi	ein pixelweise errechneter Phasenwert modulo 2 Pi, erzeugt mittels Gitter 22, für einen Objektmesspunkt i des Messobjekts in einem Pixel i Der Objektmesspunkt i korrespondiert mit einem Pixel i des gerasterten Detektors, da Messpunkt i und Pixel i optisch konjugiert sind.
phi_R_2_i, modulo 2 Pi	Referenz-Phasenwert modulo 2 Pi der Wavelet-Periode pw_1, der pixelweise mittels Referenzmessung vorzugsweise mittels einer hoch ebenen lichtstreuenden Platte an einem Referenzmesspunkt i erzeugt und dauerhaft abgespeichert wird
phi_R_2_i, modulo 2 Pi	Referenz-Phasenwert modulo 2 Pi der Wavelet-Periode pw_2, der pixelweise mittels Referenzmessung vorzugsweise mittels einer hoch ebenen lichtstreuenden Platte an einem Referenzmesspunkt i erzeugt und dauerhaft abgespeichert wird
phi_R_1_CoG, modulo 2 Pi	Phasenwert modulo 2 Pi bei der Referenzmessung der durch das Wavelet W_1_i am CoG in einem Pixel i gegeben ist
phi_R_2_g_CoG_i, modulo 2 Pi	Phasenwert der der durch die grobe Periodenlänge p_2_g am CoG der Referenzmessung in einem Pixel i gegeben ist (nur wenn ein grobes Liniengitter als Liniengitter 22 verwendet wird)
phi_R_1_CoG_i	Phasenwert der Referenzmessung, der durch die Periodenlänge p_1am CoG in einem Pixel i gegeben ist
phi_O_1_CoG_i	Phasenwert der Objektmessung, der durch die Periodenlänge p_1am CoG in einem Pixel i gegeben ist
P_T	Schnittpunkt der optischen Achsen OADO und OAPO der Triangulationsanordnung
pw_1	feine Wavelet-Periode, korrespondiert mit der Gitterperiode p_1 des Liniengitters 21 Die Wavelet-Periode pw_1 ist immer eine feine Periode und auch stets die kleinste im Verfahren genutzte Wavelet-Periode.
pw_2_f	feine Wavelet-Periode, korrespondiert mit der Gitterperiode p_2_f des Liniengitters 22
pw_2_g	grobe Wavelet-Periode
pw_12	Periode des Schwebungs-Wavelets, resultierend aus der Schwebung der beiden feinen Wavelet-Perioden pw_1 und pw 2 f[µm]
PZ_D	Pupillenzentrum der Detektion als Bild des Blendenzentrums der Detektion BZ_D, liegt bei Telezentrie im Objektraum im Unendlichen
PZ_P	Pupillenzentrum der Projektion als Bild des Blendenzentrums der Projektion BZ_P, liegt bei Telezentrie im Objektraum im Unendlichen
R_i	Referenzmesspunkt i mittels Pixel i erzeugt
R_Tb	Richtung der Translationsbasis, die durch die Lage der Blendenzentren von Projektionsstrahlengang und Detektionsstrahlengang bestimmt ist
Rz	Referenzzeile auf einem Räumlichen Lichtmodulator
S_R -	gemessener/aufgenommener Bilderstapel in einer Referenzmessung
S_O	gemessener/aufgenommener Bilderstapel in einer Objektmessung
S_R_i	Signal von einem modulierten Pixel i aus einer Referenzmessung
S_O_i	Signal von einem modulierten Pixeln i aus einer Objektmessung
S_R_out_i	Signal von einem schlecht modulierten Pixeln i, welches nicht weiter verwendet wird.
S_R_i	Signal von einem modulierten Pixeln i aus einer Referenzmessung
S_O_i	Signal von einem modulierten Pixeln i aus einer Objektmessung
S_R_out_i	Signal von einem schlecht modulierten Pixel i aus einer Referenzmessung, welches nicht weiter verwendet wird. So ein Signal sollte es an einem kooperativen Referenzmessobjekt nicht geben. Dieses kann nur bei Verschmutzungen auftreten.
S_R_i	Signal von einem modulierten Pixeln i aus einer Referenzmessung
S_Scheimpflug	Schnittpunkt von Scheimpflug-Geraden, Dabei sind die Einflüsse von Glasweglängen in den Strahlengängen in der zeichnerischen Darstellung vernachlässigt.
v	Vorschubrichtung des bewegten Löt-Bumps 63, senkrecht zur optischen Achse ADO
VP	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“. 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.
Wavelet	Ein Wavelet stellt hier Intensitätswerte dar und wird aus dem Pixel eines Bilderstapels gewonnen, das ein reales oder ein virtuelles Pixel sein kann.
v_BZ	Verschiebung des Blendenzentrums
W1	feines erstes Wavelet mittels feinem Liniengitter 21 erzeugt
W2	feines zweites Wavelet mittels feinem Liniengitter 22 erzeugt
W12	synthetisches Wavelet, wird durch Rechnung als Schwebungs-Wavelet aus den feinen Perioden pw_1 und pw_2_f erzeugt, definiert über dessen Periode den Eindeutigkeitsbereich EDB_12
WO_i	Objekt-Wavelet mittels Pixel i erzeugt
WO_koop_i	Objekt-Wavelet von einem kooperativen Objektpunkt i mittels Pixel i erzeugt, Das Wavelet ist symmetrisch.
WO_nicht-koop_i	Objekt-Wavelet von einem nicht-kooperativen Objekt Das Wavelet ist dann asymmetrisch.
WR_1_i	erstes Referenz-Wavelet mittels erstem Liniengitter (21) und mittels Pixel i erzeugt
WR_{_}2_f_i	zweites feines Referenz-Wavelet mittels zweitem Liniengitter (22) und mittels Pixel i erzeugt
WR_2_g_i	zweites Referenz-Wavelet mittels zweitem grobem Liniengitter (24) und mittels Pixel i erzeugt
z	Tiefenkoordinate im Objektraum
z_M	Tiefe des Messbereichs
z_CoG_i	Tiefenposition des Schwerpunkts der Kontrasteinhüllenden mittels Pixel i erzeugt
z_CoG_1_i	Tiefenposition des Schwerpunkts der Kontrasteinhüllenden vom ersten Liniengitter 21 mit der Periodenlänge p_1 mittels Pixel i erzeugt
z_CoG_2_f_i	Tiefenposition des Schwerpunkts der Kontrasteinhüllenden vom zweiten Liniengitter 22 mit der Periodenlänge p_2_f mittels Pixel i erzeugt
z_O__i = z_1_O_i	Tiefenposition des Messpunktes i, Diese wird vorzugsweise aus dem ersten Wavelet W1 ermittelt.
z_S	Scanweg

Bezugszeichenliste

Bezugszeichen	Bezeichnung
101	rechnergesteuerte gepulste grün-farbige Lichtquelle, leuchtet im Wechsel mit 102 oder 108
102	rechnergesteuerte gepulste grün-farbige Kaltlichtquelle, leuchtet im Wechsel mit 101
103	Kaltlichtquelle in den Farben rot und blau, ständig eingeschaltet im Tiefenscan
104	grün-farbige Kaltlichtquelle, die permanent eingeschaltet ist
107	rechnergesteuerte gepulste grün-farbige Lichtquelle, leuchtet im Wechsel mit 108
108	rechnergesteuerte gepulste grün-farbige Lichtquelle, leuchtet im Wechsel mit 107 oder 101
110	weiße Lichtquelle, permanent eingeschaltet
111	Lichtquelle mit starkem Spektralanteil bei 580nm und Rotanteil, wird im Wechsel geblitzt mit Lichtquelle 112
112	Lichtquelle mit starkem Spektralanteil bei 520nm und Blauanteil, wird im Wechsel geblitzt mit Lichtquelle 111
113	grün-farbige Kaltlichtquelle, die permanent eingeschaltet ist
113a	grün-farbige Kaltlichtquelle, die permanent beim Tiefenscan im Hinlauf eingeschaltet ist
114	cyan-farbige Kaltlichtquelle, die permanent eingeschaltet ist
114a	cyan-farbige Kaltlichtquelle, die permanent beim Tiefenscan im Rücklauf eingeschaltet ist
2	Liniengitter mit cosinus-quadratförmiger Transparenz mit Gitterperiode p
21	Liniengitter 1 mit cosinus-quadratförmiger Transparenz mit Gitterperiode p_1
22	Liniengitter 2 mit cosinus-quadratförmiger Transparenz mit Gitterperiode p_2_f
23	räumlicher Lichtmodulator (Spatial Light Modulator, SLM), ausgebildet als Mikrospiegel-Array (Digital Micro Mirror Device oder FlüssigkristallDisplay 231), in welches feine Liniengitter-Strukturen oder grobe Liniengitter- Strukturen oder auch oder Grey-Code-Sequenzen zur Bestimmung grober 3D-Informationen eines Objekts eingeschrieben werden können
231	Flüssigkeits-Display
24	grobes Liniengitter 2 mit cosinus-quadratförmiger Transparenz mit Gitterperiode p_2_g
25	Liniengitter 1 mit cosinus-quadratförmiger Transparenz mit Gitterperiode p_1
26	Liniengitter 1 mit cosinus-quadratförmiger Transparenz mit Gitterperiode p_2_f
27	rechnergesteuert drehbares Liniengitter
31	Neutral-Strahlteilerwürfel, teilt bei grünem Licht im Verhältnis 50:50
32	Bandpass-Farbteiler für grünes Licht
321	Bandpass- Farbteiler-Schichtsystem im Bandpass-Farbteiler 32, lässt grünes Licht zu mindestens 90% durch und reflektiert blaues und rotes Licht zu mindestens 90%
33	Kanten-Farbteiler ab Wellenlänge 550nm in Transmission
331	Kanten-Farbteiler-Schichtsystem ab Wellenlänge 550nm in Transmission
34	Bandpass-Farbteiler für Transmission von ab Wellenlängen 520nm bis 580nm
341	Bandpass-Farbteiler-Schichtsystem für Transmission von ab Wellenlängen 520nm bis 580nm
35	Bandpass-Farbteiler für Transmission von cyan-farbigem Licht und Reflexion von Licht außer cyanfarbig im Projektionsstrahlengang
351	Bandpass-Farbteiler-Schichtsystem für Transmission von cyan-farbigem Licht und Reflexion von Licht außer cyanfarbig im Projektionsstrahlengang
352	Bandpass- Farbteiler-Schichtsystem für Transmission von cyan-farbigem Licht und Reflexion von Licht außer cyanfarbig im Detektionsstrahlengang für Kamera 74
36	Bandpassfilter für cyan-farbiges Licht
37	Bandpassfilter für grünes Licht
41	beidseitig telezentrische Abbildungsstufe zur Projektion , also zur Abbildung eines oder mehrerer Liniengitter
F41	gemeinsamer Brennpunkt der Objektive 411 und 412 der telezentrischen, afokalen Abbildungsstufe zur Projektion 41
F411	gemeinsamer Brennpunkt der Objektive 4111 und 4121 zur Projektion
F412	gemeinsamer Brennpunkt der Objektive 4112 und 4122 der telezentrischen, afokalen Abbildungsstufe zur Projektion
411	Projektions-Frontobjektiv, dem Liniengitter 21 zugeordnet, zur Abbildungsstufe 41 gehörend
4111	Projektions-Frontobjektiv, dem Liniengitter 21 zugeordnet, linker Strahlengang
4112	Projektions-Frontobjektiv, dem Liniengitter 21 zugeordnet, rechter Strahlengang
412	Projektions-Gitterobjektiv, dem Messobjekt 6 zugeordnet, zur Abbildungsstufe 41 gehörend
4121	Projektions-Gitterobjektiv, dem Messobjekt 6 zugeordnet, linker Strahlengang
4122	Projektions-Gitterobjektiv, dem Messobjekt 6 zugeordnet, rechter Strahlengang
413	Pentaprisma im Projektionsstrahlengang
4131	Pentaprisma im Projektionsstrahlengang, linker Strahlengang
4132	Pentaprisma im Projektionsstrahlengang, rechter Strahlengang
414	Umlenkspiegel im Projektionsstrahlengang
415	Prismenbaugruppe mit Strahlteilerschicht 416 und Spiegelschicht 417 im Proj ektionsstrahlengang,
416	Strahlteilerschicht in Prismenbaugruppe 415 im Proj ektionsstrahlengang
417	Umlenkspiegel in Prismenbaugruppe 415 im Projektionsstrahlengang
418	Strahlteilerwürfel im Projektionsstrahlengang
419	Strahlteilerschicht des Strahlteilerwürfels 418 im Projektionsstrahlengang
42	beidseitig telezentrische Abbildungsstufe zur Detektion, also zur Abbildung des Messobjekts
F42	gemeinsamer Brennpunkt der Objektive 421 und 422 der telezentrischen, afokalen Abbildungsstufe zur Detektion 41
421	Detektions- Frontobjektiv, dem Messobjekt 6 zugeordnet, zur Abbildungsstufe 42 gehörend
4211	Detektions- Frontobjektiv, dem Messobjekt 6 zugeordnet, linker Strahlengang
4212	Detektions- Frontobjektiv, dem Messobjekt 6 zugeordnet, rechter Strahlengang
422	Detektorobjektiv, dem gerasterten Detektor (73) zugeordnet, zur Abbildungsstufe 42 gehörend
4221	Detektorobjektiv, dem gerasterten Detektor (z.B. Kamera 73) zugeordnet, linker Strahlengang
4222	Detektorobjektiv, dem gerasterten Detektor (z.B. Kamera 73) zugeordnet, rechter Strahlengang
423	Pentaprisma im Detektionsstrahlengang
424	Umlenkspiegel im Detektionsstrahlengang
431	Projektions-Frontobjektiv, dem Liniengitter zugeordnet
432	Projektions-Frontobjektiv, dem Liniengitter zugeordnet
433	Pentaprisma im Projektionsstrahlengang
4331	Pentaprisma im Projektionsstrahlengang, linker Strahlengang
4332	Pentaprisma im Projektionsstrahlengang, rechter Strahlengang
435	Prismenbaugruppe mit Strahlteilerschicht 436 und Spiegelschicht 437 im Projektionsstrahlengang,
436	Strahlteilerschicht in Prismenbaugruppe 435
437	Umlenkspiegel in Prismenbaugruppe 435
44	Zwei-Spiegel- Winkelspiegel gruppe
441	Planspiegel der Winkelspiegelbaugruppe 44
442	Planspiegel der Winkelspiegelbaugruppe 44
448	Winkelspiegelprisma mit zwei Spiegelflächen aus athermalem Glas in einer thermisch stabilen Halterung
45	Zwei-Spiegel- Winkelspiegelgruppe
451	Planspiegel der Winkelspiegelbaugruppe 45
452	Planspiegel der Winkelspiegelbaugruppe 45
47	Winkelspiegel-Anordnung mit zwei Planspiegeln
471	Planspiegel in der Winkelspiegel-Anordnung 47
472	Planspiegel in der Winkelspiegel-Anordnung 47
481	Strahlteiler
458	Winkelspiegelprisma mit zwei Spiegelflächen aus athermalem Glas in einer thermisch stabilen Halterung
482	Strahlteiler
49	Winkelspiegel anordnung
491	mechanisch hochstabile Winkelspiegelanordnung mit biegesteifer Basisplatte aus einer Eisen-Nickel-Legierung (Invar) und Quarzspiegeln, links
492	mechanisch hochstabile Winkelspiegelanordnung mit biegesteifer Basisplatte aus einer Eisen-Nickel-Legierung (Invar) und Quarzspiegeln, rechts
51	telezentrische Blende in telezentrischer Abbildungsstufe 41 zur Projektion
511	telezentrische Blende in telezentrischer Abbildungsstufe 41 zur Projektion, linker Strahlengang
512	telezentrische Blende in telezentrischer Abbildungsstufe 41 zur Projektion, rechter Strahlengang
52	telezentrische Blende in telezentrischer Abbildungsstufe 42 zur Detektion
54	räumlicher Lichtmodulator (Spatial Light Modulator), der als ferroelektrisches Flüssigkeits-Display ausgebildet ist und eine steuerbarere telezentrische Blende in einer Abbildungsstufe 41 zur Projektion darstellt.
541	linker Durchlassbereich der steuerbareren telezentrischen Blende 54 in der Abbildungsstufe 41 zur Projektion.
542	rechter Durchlassbereich der steuerbareren telezentrischen Blende 54 in der Abbildungsstufe 41 zur Projektion.
6	Messobjekt
61	Messobjekt mit kooperativem Messpunkt
62	Messobjekt mit nicht-kooperativem Messpunkt
63	Löt-Bump
71	1-Chip-Farbkamera, hier mit Bayer-Mosaik, grüne Pixel detektieren die Streifen, rot und blau wird für die Objektfarbe detektiert
711	Chip der Farbkamera 71, hier mit Bayer-Mosaik, grüne Pixel detektieren die Streifen, rot und blau wird für die Objektfarbe aufgenommen
72	Farbkamera mit 2 Kamera-Chips und einem Bandpass-Farbteiler für die Transmission im Bereich von 520nm bis 580nm und synchronisiert mit den Lichtquellen 111 und 112 So besteht ein Kanal (1) mit Bandpass für die Transmission von 520nm bis 580nm und einem Kanal (2) mit Bandsperre für den Bereich von 520nm bis 580nm und Durchlass im übrigen VIS-Bereich.
721	erster Monochrom-Chip der 2-Chip-Kamera, s. Det. 12.2
722	zweiter Monochrom-Chip der 2-Chip-Kamera, s. Det. 12.2
73	monochrome Kamera
731	Chip der monochromen Kamera 73
74	2-Chip-Farbkamera mit einem Kanal mit Bandpass-Farbteiler für Transmission von cyanfarbigem Licht und Reflexion von Licht außer cyanfarbig, s. 19
741	Chip für strukturiertes cyanfarbiges Licht
742	RGB-Chip mit Bayer-Filter für weißes, eher unstrukturiertes Licht
75	2-Chip-Farbkamera für die schmalen Spektralbänder um grün und cyan mit einem Bandpass-Farbteiler für Transmission von cyanfarbigem Licht und Reflexion von grünem Licht (ohne Figur)
8	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-Schlitten stellt eine verdrehgesicherte prismatische Präzisions-Lagerung 81 dar. In das Messsystem 10 ist ein hochgenauer Startpunktgeber 11 integriert, der hier nicht dargestellt ist.
81	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 Linearantrieb 9 zugeordnet ist Der Translations-Schlitten stellt eine verdrehgesicherte prismatische
	Präzisions- Lagerung 81 dar. In das Messsystem 10 ist ein hochgenauer Startpunktgeber 11 integriert, der hier nicht dargestellt ist. Translations-Schlitten kann auch eine vergleichsweise präzise VorschubEinheit eines Roboterarms, beispielsweise in einer Messzelle, sein.
88	Magnetanschlag links
89	Magnetanschlag rechts
9	geregelter Linearantrieb, dem Translations-Schlitten 8 oder 81 zugeordnet
91	Präzisionsschrittmotor mit Präzisionsspindel, dem Translations-Schlitten 8 oder 81 zugeordnet
92	rechnersteuerbarer Antrieb für Drehverstellung des Liniengitters 27
10	Translations-Mess-System, dem geregelten Linearantrieb 9 zugeordnet
11	hochgenauer Startpunktgeber für Startpunkt z_0
12	starre Halterung für Liniengitter 21, 22, 24 oder räumlichen Lichtmodulator 23 sowie Kamera 73
13	Pentaprisma im Detektionsstrahlengang, stets feststehend
14	Glasfenster in optischer Qualität
15	Bandpassfilter für grünen Bereich
16	Strahlteilergruppe mit Strahlteilerschicht und Spiegelschicht
161	Strahlteilerschicht teilt neutral im Verhältnis 50:50 in der Strahlteilergruppe 16
162	Spiegelschicht in der Strahlteilergruppe 16
17	Rechnersystem zur Steuerung von Komponenten wie Lichtquellen, Kameras, räumlicher Licht-Modulator 23, geregelter Linearantrieb 9 und auch zur Datenverarbeitung einschließlich der Berechnung von 3D-Punktwolken
171	Display des Rechnersystem s17 mit gemessener 3D-Punktwolke vom Messobjekt 6
181	Steuerverbindung zum Rechnersystem 17 zur Synchronisation der rechnergesteuerten gepulsten grün-farbigen Lichtquelle 101
182	Steuerverbindung zum Rechnersystem 17 zur Synchronisation der rechnergesteuerten gepulsten grün-farbigen Lichtquelle 102
183	Steuerverbindung des Rechnersystems 17 zur Synchronisation des geregelter Linearantriebs 9
183a	Steuerverbindung des Rechnersystems 17 zum Translations-Mess-System 10
184	Steuer- und Datenverbindung zwischen Rechnersystem und der monochromen Kamera 73 zur Synchronisation und zum Auslesen der Bilddaten
185	Steuer- und Datenverbindung zwischen Rechnersystem und der Farbkamera 71 zur Synchronisation und zum Auslesen der Bilddaten
186	Steuerverbindung zum Rechnersystem 17 zur Synchronisation der rechnergesteuerten gepulsten Lichtquelle 102

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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DE 19749974 C2 [0009]
DE 19919584 A1 [0010, 0276]
WO 2000/066972 A1 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

K. Körner und R. Windecker, „Absolute macroscopic 3-D measurement with the innovative depth-scanning fringe projection technique (DSFP),“ Optik 112, 433-441 (2001) [0010]
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Claims

Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation mit strukturierter Beleuchtung zur strukturierten Beleuchtung mindestens eines Messobjekts (6, 61, 62, 63), wobei die Anordnung umfasst: einen Projektionsstrahlengang, einen vom Projektionsstrahlengang getrennten Detektionsstrahlengang, zumindest eine mustererzeugende Komponente (21-27), mindestens einen gerasterten Lichtdetektor (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 und eingerichtet ist, einen kontinuierlichen oder schrittweisen Tiefenscan durchzuführen, welcher eine Bewegung zumindest einer Komponente der Anordnung und/oder eine Variation der Brechkraft zumindest einer Komponente der Anordnung im Projektionsstrahlengang umfasst; im Projektionsstrahlengang und/oder im Detektionsstrahlengang mindestens zwei Planspiegelflächen (491, 492, 441, 442, 451, 542, 471, 472) angeordnet sind; und die Differenz der Anzahl der Reflexionen an den Planspiegelflächen im Projektions- und im Detektionsstrahlengang null beträgt oder geradzahlig ist.
Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach Anspruch 1, wobei die zumindest zwei Planspiegelflächen in Form eines Winkelspiegels oder eines Winkelspiegelprismas (4131, 4132) im Projektionsstrahlengang angeordnet sind.
Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei: die mindestens zwei Planspiegelflächen in Form einer Winkelspiegelanordnung (491, 492) im Projektionsstrahlengang angeordnet sind, der Gesamtablenkwinkel der Winkelspiegelanordnung (491, 492) im Projektionsstrahlengang den doppelten Winkelbetrag des Triangulationswinkels beta aufweist, und der Projektionsstrahlengang und der Detektionsstrahlengang den Betrag des Abbildungsmaßstabes von Werten ungleich 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 (beta_P) gewählt ist; oder die mindestens zwei Planspiegelflächen in Form einer Winkelspiegelanordnung (491, 492) im Projektionsstrahlengang angeordnet sind, der Gesamtablenkwinkel der Winkelspiegelanordnung (491, 492) im Projektionsstrahlengang 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 Werten ungleich eins aufweisen.
Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei: die optische Achse (APA) des Projektionsstrahlenganges auf der Seite der zumindest einen muster-erzeugenden Komponente (21-27) und die optische Achse (ADA) des Detektionsstrahlenganges im Raum des gerasterten Lichtdetektors (73) zueinander geneigt oder parallel angeordnet sind; und/oder der Projektionsstrahlengang ungefaltet ist; und/oder die optische Achse des Detektionsstrahlenganges parallel zu einer Translationsachse (TA) der Scanvorrichtung angeordnet ist.
Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei: der Betrag des Abbildungsmaßstabes des Projektionsstrahlengangs und/oder des Detektionsstrahlengangs kleiner oder gleich 5 ist, oder der Betrag des Abbildungsmaßstabes des Projektionsstrahlengangs und/oder des Detektionsstrahlengangs gleich 1 ist; oder der Betrag des Abbildungsmaßstabes des Projektionsstrahlengangs beta_strich beta_strich_P und im Detektionsstrahlengang beta_strich_D zumindest näherungsweise der Beziehung $beta_strich_D = beta_strich_P* [Wurzel von cos (beta)]$
genügt.
Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Projektionsstrahlengang und/oder im Detektionsstrahlengang jeweils eine einseitig oder zweiseitig telezentrische Abbildungsstufe (41, 411, 412, 42, 421, 422) und/oder eine telezentrische Blende (51, 52) angeordnet ist/sind.
Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Scanvorrichtung ein rechnersteuerbares Translationssystem (81) umfasst, wobei dem Translationssystem (81) sowohl der gerasterte Lichtdetektor (73) als auch die zumindest eine musterzerzeugende Komponente starr zugeordnet sind, so dass das Translationssystem (81), der gerasterte Lichtdetektor (73) und die zumindest eine mustererzeugende Komponente (21-27) starr gekoppelt sind.
Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die zumindest eine mustererzeugende Komponente ein statisches oder ein steuerbares Liniengitter ist, wobei das Liniengitter selbstleuchtend ist oder von einer oder mehreren Lichtquellen beleuchtet wird.
Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Anordnung ferner ausgelegt ist, (iii) gleichzeitig oder nacheinander zumindest zwei Gittermuster mit unterschiedlichen Gitterperioden p_1 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: $p_2 \geq 1,01*p_1 und p_2 \leq 100*p_1,$
erfüllen; oder (iv) 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 $beta_2 \geq 1,01*beta_1 und beta_2 \leq 1,25*beta_1$
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 Gittermuster strukturiert beleuchteten Messobjekts (6, 61, 62, 63) oder von Bildern des strukturiert beleuchteten Messobjekts (6, 61, 62, 63) bei einem bestimmten Triangulationswinkel umfasst.
Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach Anspruch 9, wobei das Rechensystem (7) ferner umfasst: einen Speicher zum Speichern der zumindest zwei Bildersätze; einen Auswertemodul, der eingerichtet ist: zumindest zwei Wavelets W1 und W2 mit jeweils unterschiedlichen Wavelet-Perioden pw_1 und pw_2 aus den zumindest zwei Bildersätzen zu erzeugen, wobei die zumindest zwei Wavelets W1 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 W1 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 (CE_1, CE_2) und pixelweises Phasenauswerten 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_1_i und phi_O_2_i modulo 2 Pi für ein Pixel i, welche im Pixel i sowohl dem Referenz-Phasenwert phi_R_1_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 (CoG_W_1) der Kontrast-Einhüllenden des Wavelets W1 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_1_i und phi_O_2_i modulo 2 Pi für ein Pixel i.
Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der Ansprüche 9 oder 10, ferner umfassend: zwei räumlich separierte statische periodische Liniengitter (21, 22, 24, 25, 26), die entweder mit mindestens einer Lichtquelle (101-114) beleuchtet werden oder Selbstleuchter sind, wobei das Licht von den Liniengittern (21, 22, 24, 25, 26) eine im Projektionsstrahlengang 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) Gittermuster 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 Liniengitters (27) zeitlich nacheinander zumindest zwei Gittermuster mit unterschiedlichen effektive Gitterperioden p_eff_1 und p_eff_2 erzeugt werden.
Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, ferner umfassend: ein statisches periodisches Liniengitter (2) mit einer Periode p, das entweder mit mindestens einer Lichtquelle (101-114) 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, Blendensteuerungsvorrichtung, welche 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.
Anordnung zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Anordnung zwei Projektionsstrahlengänge 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.
Verfahren zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation umfassend: Durchführen eines Tiefenscans mit einer Streifen-Triangulation-Anordnung zur strukturierten Beleuchtung mindestens eines Messobjekts (6, 61, 62, 63) nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
Verfahren zur tiefenscannenden Streifen-Triangulation nach Anspruch 14, wobei beim Tiefenscan mindestens ein Wavelet erzeugt wird.