DE102011050518B4 - Method and device for determining the topology of a transparent substance interface - Google Patents
Method and device for determining the topology of a transparent substance interface Download PDFInfo
- Publication number
- DE102011050518B4 DE102011050518B4 DE102011050518.0A DE102011050518A DE102011050518B4 DE 102011050518 B4 DE102011050518 B4 DE 102011050518B4 DE 102011050518 A DE102011050518 A DE 102011050518A DE 102011050518 B4 DE102011050518 B4 DE 102011050518B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- interface
- substance
- reference surface
- relative
- image
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
- G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
- G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
- G01B11/0625—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating with measurement of absorption or reflection
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Verfahren zum Bestimmen der Topologie (1) einer Grenzfläche (7) einer transparenten Substanz (2) über einer Referenzoberfläche (3), wobei durch die Grenzfläche (7) und die transparente Substanz (2) hindurch ein zweidimensionales Bild eines zweidimensionalen Musters aufgenommen wird und wobei das Bild mit einem Referenzbild verglichen wird, um aus Relativverschiebungen von Bildpunkten auf eine Höhe der Grenzfläche (7) der Substanz (2) über der Referenzoberfläche (3) zu schließen, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Relativverschiebungen der Bildpunkte ein Gradient der Relativverschiebungen der Bildpunkte verwendet wird, um daraus zusammen mit der Höhe der Grenzfläche (7) der Substanz (2) über der Referenzoberfläche (3) eine Neigung der Grenzfläche (7) der Substanz (2) gegenüber der Referenzoberfläche (3) zu bestimmen.A method for determining the topology of (1) an interface (7) of a transparent substance (2) over a reference surface (3), wherein a two-dimensional image of a two-dimensional pattern is received through the interface (7) and the transparent substance (2) wherein the image is compared with a reference image to close relative displacements of pixels to a height of the interface (7) of the substance (2) above the reference surface (3), characterized in that in addition to the relative displacements of the pixels a gradient of the relative displacements of Pixels is used to determine therefrom together with the height of the boundary surface (7) of the substance (2) above the reference surface (3) an inclination of the interface (7) of the substance (2) relative to the reference surface (3).
Description
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen der Topologie einer Grenzfläche einer transparenten Substanz über einer Referenzoberfläche mit den Merkmalen der identischen Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche 1 und 4 und auf Vorrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren mit den Merkmalen der identischen Oberbegriffe der nebengeordneten Patentansprüche 13 und 15.The invention relates to a method for determining the topology of a transparent substance interface over a reference surface having the features of the identical preambles of
Die Bestimmung der Topologie der Grenzfläche der transparenten Substanz über der Referenzoberfläche schließt hier insbesondere das Erfassen von Strukturen aus der Substanz auf der Referenzoberfläche ein. Beispiele für solche Strukturen sind sich auf der Referenzoberfläche bildende und/oder verlagernde Tropfen oder auf der Referenzoberfläche zusammenwachsende Tropfen aus der transparenten Substanz.The determination of the topology of the interface of the transparent substance above the reference surface includes in particular the detection of structures from the substance on the reference surface. Examples of such structures are droplets forming and / or displacing on the reference surface or droplets of the transparent substance that grow together on the reference surface.
Unter dem Begriff der ”Topologie” der Grenzfläche wird ein Höhenverlauf der Grenzfläche verstanden.The term "topology" of the interface is understood to mean a height profile of the interface.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Bekannte Verfahren und Vorrichtungen zum Vermessen von Oberflächenstrukturen, insbesondere der Dicke, transparenter Substanzen schließen trigonometrische und interferometrische Verfahren, Speckle-Interferometrie, Kohärenztomographie, Ultraschallinterferometrie/Dopplerverfahren, holographische Verfahren und Projektionsverfahren mit strukturiertem Licht ein.Known methods and apparatus for measuring surface structures, particularly the thickness, of transparent substances include trigonometric and interferometric methods, speckle interferometry, coherence tomography, ultrasound interferometry / Doppler methods, holographic methods, and structured light projection methods.
Diese Verfahren erlauben zumeist nur eine punktuelle Vermessung von transparenten Substanzen. Interferometrische Verfahren erlauben zwar grundsätzlich eine flächige Vermessung. Sie sind aber zumeist weder bezüglich der Richtung der Höhenänderung noch bezüglich der absoluten Höhe der transparenten Substanz über der Referenzoberfläche eindeutig.These methods usually allow only a punctual measurement of transparent substances. Although interferometric methods basically allow a surface measurement. However, they are mostly neither with respect to the direction of the change in height nor with respect to the absolute height of the transparent substance on the reference surface clearly.
Aus der
In der Veröffentlichung ”Optisches Messverfahren zur räumlichen Filmhöhenmessung transparenter Medien.” [In: Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2010; Tagungsband, Bd. 2., 2010. S. 773–780.] von Lenk et al. geht es um ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs der Patentansprüche 1 und 4. Hier wird die Höhe einer Grenzfläche einer transparenten Substanz über einer Referenzoberfläche bestimmt, indem ein Verschiebungsvektor ermittelt wird, um den ein Punkt eines Referenzbildes verschoben erscheint, weil das von dem Punkt ausgesandte Licht nach Passieren der transparenten Substanz an der Grenzfläche der Substanz gegenüber Luft gebrochen wird. Dies geschieht unter der Annahme einer lokal ebenen Grenzfläche. Aufgrund dieser Annahme können jedoch Messabweichungen auftreten. In diesem Zusammenhang wird in Veröffentlichung von Lenk et al. angemerkt, dass die Messgenauigkeit durch zusätzliche Berücksichtigung der Neigung der Grenzfläche, beispielsweise durch Verwendung einer weiteren Kamera verbessert werden könnte.In the publication "Optical measurement method for spatial film height measurement of transparent media." [In: German Aerospace Congress 2010; Tagungsband, Vol. 2, p. 773-780.] By Lenk et al. is concerned with a method having the features of the preamble of
In der
In der
AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtungen zum Bestimmen der Topologie einer transparenten Substanz über einer Referenzoberfläche aufzuzeigen, die mit geringem apparativem Aufwand die exakte Bestimmung der interessierenden Topologie ermöglichen.The object of the invention is to disclose methods and devices for determining the topology of a transparent substance over a reference surface, which enable the exact determination of the topology of interest with little outlay on equipment.
LÖSUNGSOLUTION
Die Aufgabe der Erfindung wird durch Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentanspruchs 1 und 4 und durch Vorrichtungen mit den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche 13 und 15 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Verfahren und der Vorrichtungen in den abhängigen Patentansprüchen definiert.The object of the invention is achieved by methods having the features of the
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
Für die neuen Verfahren reicht ein einziges aus einer Abbildungsrichtung durch die Grenzfläche mit der interessierenden Topologie und die transparente Substanz aufgenommenes Bild. Dieses Bild des hinter der transparenten Substanz liegenden Musters ist durch Lichtbrechung an der Grenzfläche der transparenten Substanz gegenüber dem Referenzbild verformt, d. h. Bildpunkte in dem Bild sind gegenüber dem Referenzbild verschoben. Die Größe dieser Verschiebungen hängt zum einen von der Höhe der Grenzfläche der Substanz über der Referenzoberfläche und zum anderen von der Neigung der Grenzfläche der Substanz gegenüber der Referenzoberfläche ab. Insoweit ist die Verschiebung eines einzelnen Bildpunkts weder in Bezug auf die Höhe der Grenzfläche der Substanz über der Referenzoberfläche noch die Neigung der Grenzfläche der Substanz gegenüber der Referenzoberfläche eindeutig auswertbar. Die neuen Verfahren kommen dennoch ohne ein weiteres durch die transparente Substanz hindurch aufgenommenes Bild des Musters aus, indem – neben den absoluten Relativverschiebungen der Bildpunkte – als zweite Information ein Gradient der Relativverschiebungen der Bildpunkte verwendet wird, um zugleich die Höhe und die Neigung der Grenzfläche in Bezug auf die Referenzoberfläche zu bestimmen.For the new methods, a single image taken from an imaging direction through the interface with the topology of interest and the transparent substance is sufficient. This image of the pattern lying behind the transparent substance is deformed by refraction of light at the interface of the transparent substance with respect to the reference image, i. H. Pixels in the image are shifted from the reference image. The size of these shifts depends on the one hand on the height of the interface of the substance above the reference surface and on the other on the inclination of the interface of the substance relative to the reference surface. In that regard, the displacement of a single pixel is neither in terms of the height of the interface of the substance on the reference surface nor the inclination of the interface of the substance relative to the reference surface uniquely evaluated. Nevertheless, the new methods do without a further image of the pattern taken through the transparent substance, by using a gradient of the relative displacements of the pixels as second information in addition to the absolute relative displacements of the pixels, in order at the same time to determine the height and inclination of the interface Reference to the reference surface.
Bei dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen der Topologie einer Grenzfläche einer transparenten Substanz über einer Referenzoberfläche, wobei durch die Grenzfläche und die transparente Substanz hindurch ein zweidimensionales Bild eines zweidimensionalen Musters aufgenommen wird und wobei das Bild mit einem Referenzbild verglichen wird, um aus Relativverschiebungen von Bildpunkten auf eine Höhe der Grenzfläche der Substanz über der Referenzoberfläche zu schließen, wird neben den Relativverschiebungen der Bildpunkte auch ein Gradient der Relativverschiebungen der Bildpunkte verwendet, um neben der Höhe der Grenzfläche der Substanz über der Referenzoberfläche auch eine Neigung der Grenzfläche der Substanz gegenüber der Referenzoberfläche zu bestimmen.In the first inventive method for determining the topology of a transparent substance interface over a reference surface, wherein a two-dimensional image of a two-dimensional pattern is taken through the interface and the transparent substance, and wherein the image is compared with a reference image to obtain relative shifts of pixels In addition to the relative displacements of the pixels, a gradient of the relative displacements of the pixels is used to close at a height of the boundary surface of the substance above the reference surface, in addition to the height of the boundary surface of the substance above the reference surface and an inclination of the interface of the substance relative to the reference surface determine.
Wie weiter unten aufgezeigt werden wird, lässt sich darlegen, dass aus einem lokalen Verschiebungsvektor der Relativverschiebungen der Bildpunkte und – je nach Stetigkeit der Topologie der betrachteten Grenzfläche – der ersten Ableitung oder der ersten und zusätzlicher höherer Ableitungen der Relativverschiebungen der Bildpunkte nach ihrem Ort die Höhe und die Neigung der Grenzfläche für ein Element der Grenzfläche eindeutig bestimmbar sind. Die Angabe ”Ableitung der Relativverschiebungen der Bildpunkte nach ihrem Ort” ist dabei gleichbedeutend mit einer Ableitung des Verschiebungsvektorfelds nach dem Ort am Ort des betrachteten lokalen Verschiebungsvektors.As will be shown below, it can be shown that from a local displacement vector of the relative displacements of the pixels and - depending on the continuity of the topology of the considered interface - the first derivative or the first and additional higher derivatives of the relative displacements the pixels according to their location, the height and the inclination of the interface for an element of the interface are clearly determinable. The statement "derivation of the relative displacements of the pixels according to their location" is equivalent to a derivation of the displacement vector field according to the location at the location of the considered local displacement vector.
Konkret können die Höhe und die Neigung der Grenzfläche relativ zu der Referenzoberfläche für das Element der Grenzfläche durch numerisches Lösen eines Differentialgleichungssystems bestimmt werden.Specifically, the height and inclination of the interface relative to the reference surface for the element of the interface can be determined by numerically solving a differential equation system.
Bei dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen der Topologie einer Grenzfläche einer transparenten Substanz über einer Referenzoberfläche, wobei durch die Grenzfläche und die transparente Substanz hindurch ein zweidimensionales Bild eines zweidimensionalen Musters aufgenommen wird und wobei das Bild mit einem Referenzbild verglichen wird, um aus Relativverschiebungen von Bildpunkten auf eine Höhe der Grenzfläche der Substanz über der Referenzoberfläche zu schließen, werden die Verschiebungen der Bildpunkte zunächst ausschließlich der Höhe der Grenzfläche der transparenten Substanz über der Referenzoberfläche zugeordnet und wird hieraus dann ein Verlauf der Höhe der Grenzfläche der Substanz über der Referenzoberfläche abgeschätzt, d. h. ein erstes Höhenprofil erstellt. Aus den derart abgeschätzten Höhen der Grenzfläche der Substanz über der Referenzoberfläche wird dann die resultierende Neigung der Grenzfläche der Substanz gegenüber der Referenzoberfläche bestimmt und unter Verwendung dieser Neigung der Grenzfläche die zunächst ermittelte Höhe der Grenzfläche der Substanz über der Referenzoberfläche korrigiert. Hieran kann sich mindestens ein weiterer Iterationsschritt in Richtung auf die wahre Höhe der Grenzfläche der Substanz über der Referenzoberfläche anschließen, in dem aus dem Verlauf der korrigierten Höhe der Grenzfläche der Substanz über der Referenzoberfläche auf eine korrigierte Neigung der Grenzfläche der Substanz gegenüber der Referenzüberfläche geschlossen wird und dann die korrigierte Höhe der Grenzfläche der Substanz über der Referenzoberfläche unter Berücksichtigung der korrigierten Neigung der Grenzfläche der Substanz gegenüber der Referenzoberfläche erneut korrigiert wird.In the second inventive method for determining the topology of a transparent substance interface over a reference surface, wherein a two-dimensional image of a two-dimensional pattern is taken through the interface and the transparent substance, and wherein the image is compared with a reference image to obtain relative shifts of pixels to close at a height of the interface of the substance above the reference surface, the shifts of the pixels are initially assigned exclusively to the height of the interface of the transparent substance on the reference surface and from this then a profile of the height of the interface of the substance is estimated above the reference surface, d. H. created a first height profile. From the thus estimated heights of the interface of the substance above the reference surface, the resulting inclination of the interface of the substance with respect to the reference surface is determined and, using this inclination of the interface, the initially determined height of the substance's interface over the reference surface is corrected. This may be followed by at least one further iteration step in the direction of the true height of the substance's interface over the reference surface, in which a corrected slope of the substance's interface with respect to the reference surface is deduced from the course of the corrected height of the substance's interface over the reference surface and then correcting the corrected height of the interface of the substance over the reference surface, taking into account the corrected slope of the substance's interface with the reference surface.
In der praktischen Anwendung des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens stellt sich heraus, dass die interessierende Topologie der transparenten Substanz mit wenigen Iterationsschritten aus einem einzigen durch die Substanz hindurch aufgenommenen Bild des Musters bestimmt werden kann. Auch bei dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren geht der Gradient der Relativverschiebungen der Bildpunkte in die Bestimmung der Topologie der Grenzfläche ein, indem bei der Iteration nicht nur eine Annäherung der abgeschätzten Höhe, sondern auch des Verlaufs der abgeschätzten Höhe und der daraus resultierenden abgeschätzten Neigung an die tatsächliche Topologie der Grenzfläche erfolgt.In the practical application of the second method according to the invention, it turns out that the topology of the transparent substance of interest can be determined with a few iteration steps from a single image of the sample taken through the substance. In the second method according to the invention, too, the gradient of the relative displacements of the pixels is used to determine the topology of the interface by not only approximating the estimated height in the iteration, but also the course of the estimated height and the resulting estimated slope to the actual Topology of the interface takes place.
Bei geeigneter Wahl des zweidimensionalen Musters sind die in den Relativverschiebungen der Bildpunkte über die Topologie der Grenzfläche der transparenten Substanz in dem Bild enthaltenen Informationen nicht nur punktueller sondern in Bezug auf die Strukturierung der Topologie flächiger Natur und erlauben so bei beiden erfindungsgemäßen Verfahren die Auflösung der Zweideutigkeiten, die bei nur punktueller Betrachtung einzelner Relativverschiebungen von Bildpunkten verbleiben. Etwaige Unstetigkeiten der Topologie der Grenzfläche der Substanz über der Oberfläche spiegeln sich in Unstetigkeiten bei den Relativverschiebungen der Bildpunkte in dem Bild gegenüber dem Referenzbild wider und können so erkannt werden.With a suitable choice of the two-dimensional pattern, the information contained in the relative displacements of the pixels over the topology of the interface of the transparent substance in the image are not only punctiform but surface-wise with respect to the structuring of the topology and thus permit the resolution of the ambiguities in both inventive methods which remain with only selective consideration of individual relative shifts of pixels. Any discontinuities in the topology of the interface of the substance above the surface are reflected in discontinuities in the relative displacements of the pixels in the image relative to the reference image and thus can be recognized.
Voraussetzung für die Funktion der erfindungsgemäßen Verfahren ist nur ein konstanter Brechungsindex der transparenten Substanz sowie der angrenzenden Luft. Die Substanz selbst kann eine transparente Flüssigkeit oder ein transparenter Festkörper sein.Prerequisite for the function of the method according to the invention is only a constant refractive index of the transparent substance and the adjacent air. The substance itself may be a transparent liquid or a transparent solid.
Vorzugsweise ist das zweidimensionale Muster bei den erfindungsgemäßen Verfahren direkt auf der Referenzoberfläche vorgesehen. Darüber hinaus handelt es sich vorzugsweise um ein stochastisches Punktemuster, bei dem Relativverschiebungen von Bildpunkten in dem Bild gegenüber dem Referenzbild durch statistische Verfahren erfassbar sind, wie sie beispielsweise ursprünglich für die PIV (Particle Image Velocimetry) entwickelt wurden.Preferably, the two-dimensional pattern is provided in the inventive method directly on the reference surface. In addition, it is preferably a stochastic dot pattern in which relative displacements of pixels in the image relative to the reference image can be detected by statistical methods, such as those originally developed for PIV (Particle Image Velocimetry).
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Referenzoberfläche eben ist und die Substanz unmittelbar an die Referenzoberfläche angrenzt. Dann müssen keine Besonderheiten des Strahlengangs zwischen der Referenzoberfläche und der Substanz berücksichtigt werden. Die Beleuchtung des Musters erfolgt vorzugsweise diffus. Sie kann auch von seiner Rückseite, d. h. konkret der Rückseite der Referenzoberfläche her erfolgen.Furthermore, it is preferred if the reference surface is flat and the substance is directly adjacent to the reference surface. Then no special features of the beam path between the reference surface and the substance must be taken into account. The illumination of the pattern is preferably diffuse. You can also from its back, d. H. specifically made the back of the reference surface ago.
Eine Abbildungsrichtung beim Aufnehmen des Bilds des zweidimensionalen Musters verläuft vorzugsweise unter einem Winkel von 30° bis 60° zu der Referenzoberfläche. Ein kleinerer Winkel sorgt für vergleichsweise größere Relativverschiebungen der Bildpunkte in dem Bild gegenüber dem Referenzbild. Bei kleinen Winkeln besteht jedoch die Gefahr einer Totalreflektion an der Grenzfläche der Substanz, die ein Abbilden des Musters durch die Substanz unmöglich macht. Partiell, d. h. über nur kleine Teilbereiche der Grenzfläche der Substanz ist das Unterschreiten des Grenzwinkels für die Totalreflektion jedoch in der Regel unkritisch.An imaging direction in taking the image of the two-dimensional pattern is preferably at an angle of 30 ° to 60 ° to the reference surface. A smaller angle provides for relatively larger relative displacements of the pixels in the image relative to the reference image. In small Angle, however, there is a risk of total reflection at the interface of the substance, which makes a mapping of the pattern by the substance impossible. Partially, ie over only small portions of the interface of the substance is falling below the critical angle for the total reflection, however, usually not critical.
Das Referenzbild kann ein Bild des zweidimensionalen Musters sein, das ohne die Substanz, also nicht durch die Substanz hindurch aufgenommen wurde. Jede Relativverschiebung in dem Bild entspricht damit dem Vorhandensein von Substanz vor dem entsprechenden Bereich des Musters. Auch bei vorhandener Substanz können jedoch einzelne Bildpunkte in dem Bild gegenüber dem Referenzbild unverschoben sein, weil sich die Verschiebungen durch die Höhe der Substanz über der Referenzoberfläche und die Neigung der Grenzfläche der Substanz gegenüber der Referenzoberfläche gegeneinander aufheben.The reference image may be an image of the two-dimensional pattern that was captured without the substance, not the substance. Each relative shift in the image thus corresponds to the presence of substance in front of the corresponding region of the pattern. However, even with an existing substance, individual pixels in the image may be unshifted relative to the reference image because the displacements cancel each other out by the height of the substance above the reference surface and the inclination of the substance's interface with the reference surface.
Die erfindungsgemäßen Verfahren sind nicht auf die Auswertung von Bildern beschränkt, die eine Intensitätsverteilung von elektromagnetischen Wellen des sichtbaren Lichts wiedergeben. Solange das Snelliussche Brechungsgesetz an der Grenzfläche gilt, können auch elektromagnetische Wellen des unsichtbaren Wellenlängenbereichs oder auch jedwede andere Wellen genutzt werden. Entscheidend ist, dass es mit Hilfe der verwendeten Wellen möglich ist, ein Bild eines zweidimensionalen Musters durch die Grenzfläche hindurch aufzunehmen. Die erforderliche Transparenz der Substanz muss entsprechend ausschließlich für die verwendeten Wellen gegeben sein. Mögliche Anwendungen der erfindungsgemäßen Verfahren reichen von der Bestimmung der Topologie dünner Schichten und Filme bis zu großflächigen Bestimmungen der Wasserhöhen in Überschwemmungsgebieten.The methods of the invention are not limited to the evaluation of images representing an intensity distribution of electromagnetic waves of visible light. As long as Snell's law of refraction applies at the interface, it is also possible to use electromagnetic waves of the invisible wavelength range or any other waves. It is crucial that it is possible with the help of the waves used to take an image of a two-dimensional pattern through the interface. The required transparency of the substance must accordingly be given exclusively for the waves used. Possible applications of the methods according to the invention range from the determination of the topology of thin layers and films to large-scale determinations of the water heights in flood areas.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren weisen zum Aufnehmen des Bilds des zweidimensionalen Musters durch die Grenzfläche und durch die Substanz hindurch eine Kamera auf, und für die Auswertung des Bilds durch Vergleich mit dem Referenzbild, um Relativverschiebungen von Bildpunkten gegenüber dem Referenzbild bezüglich einer Höhe der Grenzfläche der Substanz über der Referenzoberfläche auszuwerten, ist eine Auswerteeinrichtung vorgesehen, die das jeweilige erfindungsgemäße Verfahren umsetzt.Devices according to the invention for carrying out the method according to the invention have a camera for taking the image of the two-dimensional pattern through the interface and through the substance, and for the evaluation of the image by comparison with the reference image, relative displacements of pixels with respect to the reference image with respect to a height of To evaluate interface of the substance over the reference surface, an evaluation is provided, which implements the respective inventive method.
Die Auswerteeinrichtung kann einen Speicher für das Referenzbild aufweisen.The evaluation device may have a memory for the reference image.
Alle weiteren Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtungen wurden bereits oben bei der Erläuterung der erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben.All further details of the devices according to the invention have already been described above in the explanation of the method according to the invention.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile von allen erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden.Advantageous developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the introduction to the description are merely exemplary and can come into effect alternatively or cumulatively without the advantages of all the embodiments according to the invention having to be achieved. Further features are the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components to each other and their relative arrangement and operative connection - refer. The combination of features of different embodiments of the invention or features of different claims is also possible and is hereby stimulated. This also applies to those features which are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different claims.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.The invention will be explained and described in more detail below with reference to the accompanying drawings.
FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES
Aus den für benachbarte Punkte des Punktemusters
In den folgenden Figuren ist dargestellt, wie diese Vorgehensweise abhängig von dem tatsächlichen Verlauf der Grenzfläche
In
Dies wird auch aus der Aufteilung des relativen Fehlers zu den Iterationsschritten gemäß
Auch die Auftragung der relativen Fehler der einzelnen Iterationsschritte in
Die Anzahl der Iterationen k kann für alle Fälle so groß festgelegt werden, dass in jedem Fall eine gewünschte Genauigkeit bei der Bestimmung der Topologie der Grenzfläche
In
- h
- die Höhe der Grenzfläche
7 über derReferenzoberfläche 3 , - Xh
- die Position der Höhe h,
- ω
- die
Neigung der Grenzfläche 7 gegenüber der Referenzoberfläche3 , - d
- die Verschiebung des Punkts
8 in dem jeweiligen Bild gegenüber seinerPosition 9 auf der Referenzoberfläche3 , - X
- die Position des Punkts
8 in demmit der Kamera 5 aufgenommenen Bild, - b
- der Positionsversatz zwischen X und Xh,
- ωXh
- die
Krümmung der Grenzfläche 7 bei Xh, - ωX
- die genäherte Krümmung der Grenzfläche
7 bei Xh und - f
- eine Bestimmungsgleichung für den Neigungswinkel ω.
- H
- the height of the
interface 7 above thereference surface 3 . - X h
- the position of the height h,
- ω
- the slope of the
interface 7 opposite thereference surface 3 . - d
- the shift of the point
8th in the respective image opposite to hisposition 9 on thereference surface 3 . - X
- the position of the point
8th in the one with thecamera 5 captured image, - b
- the position offset between X and X h ,
- ω Xh
- the curvature of the
interface 7 at X h , - ω X
- the approximate curvature of the
interface 7 at X h and - f
- an equation of determination for the angle of inclination ω.
Zunächst werden die Funktionen h(d, ω, X) und b(d, ω, X) bei bekannter Verschiebung d an der bekannten Position X aufgestellt. First, the functions h (d, ω, X) and b (d, ω, X) are placed at the known position X at a known displacement d.
Der Neigungswinkel ω lässt sich durch den räumlichen Gradientender Filmhöhe h an der Position Xh = X – b (siehe
Die dabei auftretenden Differentiale dh und dXh = dX – db lassen sich durch Variation der Veränderlichen gewinnen (Gl. 4 und 5). Dabei werden die analytischen Funktionen h(d, ω, X) und b(d, ω, X) (Gl. 1 und 2) nach den Variablen X, d und ω variiert. Auf diese Weise geht die lokale Ableitung dX des gemessenen Verschiebungsvektorfelds als zusätzliche Information mit in die Filmhöhenberechnung ein.
Aus Gl. 3, 4 und 5 ergibt sich die Bestimmungsgleichung (Gl. 6) für den Neigungswinkel ω. From Eq. 3, 4 and 5 results in the equation of determination (equation 6) for the angle of inclination ω.
Da bis auf den Neigungswinkel ω alle Größen in Gl. 6 bekannt sind, lässt sich diese nach ω lösen. Mit nun bekanntem Neigungswinkel ω ist die Strahlkonstruktion in
Zur Bestimmung der noch unbekannten Krümmung
Hingegen kann z. B. bei einem lokal quadratischen Grenzflächenverlauf näherungsweise ωX = const. in Gl. 4 und 5 gesetzt werden. Dann lässt sich beim iterativen Lösen von Gl. 6 nach ω die konstante Krümmung ωX durch die Ableitung bei jedem Iterationsschritt, jeweils in Abhängigkeit von ω, ermitteln. Dabei wird für die tatsächliche Grenzflächenkrümmungder Einfachheit halber ωXh ≈ ωX angenommen, wobei eigentlichgilt.In contrast, z. For example, for a locally quadratic boundary surface, approximately ω X = const. in Eq. 4 and 5 are set. Then, in the iterative solution of Eq. 6 after ω the constant curvature ω X through the derivative at every iteration step, depending on ω. This is for the actual boundary curvature for the sake of simplicity, ω Xh ≈ ω X , where actually applies.
Die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Topologietopology
- 22
- Substanzsubstance
- 33
- Referenzoberflächereference surface
- 44
- Punktemusterdot pattern
- 55
- Kameracamera
- 66
- Luftair
- 77
- Grenzflächeinterface
- 88th
- PunktPoint
- 99
- Positionposition
- 1010
- Abbildungsrichtungimaging direction
- 1111
- Auswerteeinrichtungevaluation
Claims (21)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102011050518.0A DE102011050518B4 (en) | 2011-05-20 | 2011-05-20 | Method and device for determining the topology of a transparent substance interface |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102011050518.0A DE102011050518B4 (en) | 2011-05-20 | 2011-05-20 | Method and device for determining the topology of a transparent substance interface |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102011050518A1 DE102011050518A1 (en) | 2012-11-22 |
DE102011050518B4 true DE102011050518B4 (en) | 2017-01-19 |
Family
ID=47087850
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102011050518.0A Expired - Fee Related DE102011050518B4 (en) | 2011-05-20 | 2011-05-20 | Method and device for determining the topology of a transparent substance interface |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102011050518B4 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19944354A1 (en) * | 1999-09-16 | 2001-04-12 | Haeusler Gerd | Method and device for determining the shape or the imaging properties of reflecting or transparent objects |
DE102004020419B3 (en) * | 2004-04-23 | 2005-10-20 | 3D Shape Gmbh | Method and apparatus for determining the shape and local surface normal of specular surfaces |
EP2101143A1 (en) * | 2008-03-10 | 2009-09-16 | Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig | Method and device for recording the shape of transparent refractive objects |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19942856B4 (en) | 1999-09-08 | 2009-07-16 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Background schlieren measuring method for spatial density fields |
-
2011
- 2011-05-20 DE DE102011050518.0A patent/DE102011050518B4/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19944354A1 (en) * | 1999-09-16 | 2001-04-12 | Haeusler Gerd | Method and device for determining the shape or the imaging properties of reflecting or transparent objects |
DE102004020419B3 (en) * | 2004-04-23 | 2005-10-20 | 3D Shape Gmbh | Method and apparatus for determining the shape and local surface normal of specular surfaces |
EP2101143A1 (en) * | 2008-03-10 | 2009-09-16 | Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig | Method and device for recording the shape of transparent refractive objects |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
LENK, S. et al.: Optisches Messverfahren zur räumlichen Filmhöhenmessung transparenter Medien. In: Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2010; Tagungsband, Bd. 2., 2010. S. 773-780. - ISBN 978-3-932182-67-7 * |
LENK, S. et al.: Optisches Messverfahren zur räumlichen Filmhöhenmessung transparenter Medien. In: Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2010; Tagungsband, Bd. 2., 2010. S. 773-780. – ISBN 978-3-932182-67-7 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102011050518A1 (en) | 2012-11-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2002203A2 (en) | Method and system for measuring the shape of a reflective surface | |
EP1567827B1 (en) | Method and device for optical form measurement and/or estimation | |
DE102014104338B4 (en) | Method and device for detecting surface deformations | |
DE102011012611B4 (en) | Method and device for non-contact measurement of an angle | |
EP1821064B1 (en) | Method and device for determining the contour of a reflecting surface | |
WO1997010488A1 (en) | Process and device for detecting and measuring three-dimensional bodies or any surfaces | |
DE10217068B4 (en) | Method for optically measuring the shape of reflective and scattering free-form surfaces | |
DE19942856B4 (en) | Background schlieren measuring method for spatial density fields | |
EP2031348B1 (en) | Surface inspection method for detecting surface defects and/or charting the surface topography | |
DE102011050518B4 (en) | Method and device for determining the topology of a transparent substance interface | |
DE102015109721B3 (en) | Fringe projection method, fringe projection apparatus and computer program product | |
DE60211021T2 (en) | DEVICE AND PROCESS FOR SAMPLE CHARACTERIZATION | |
EP3910314A1 (en) | Method and device for analysing the interaction between a surface of a sample and a liquid | |
EP3799651A1 (en) | Method and system for optically measuring an object having a reflective and/or partially reflective surface and corresponding measuring arrangement | |
DE102006033779A1 (en) | Reflecting surface measuring method, particularly liquid metal surface, involves impinging reflected laser beam at coordinates of point, which has two translucent screens which are arranged in parallel | |
DE10014964A1 (en) | Procedure for optical measurement of the shape of reflecting outer surfaces by use of single value, wavelength or intensity, light sources so that a single valued image pattern is obtained | |
DE3789901T2 (en) | DISTANCE MEASUREMENT BY DIFFERENTIATION. | |
DE102014016087B4 (en) | Three-dimensional optical detection of object surfaces | |
DE102005044912B4 (en) | Method and device for the three-dimensional optical measurement of reflecting surfaces | |
DE69611832T2 (en) | STRIP DEFLECTION MEASUREMENT DEVICE AND METHOD | |
DE10341959B4 (en) | Method for measuring a surface relative to a reference surface | |
EP3581879B1 (en) | Method and device for interferometric measurement of a surface of a moving specimen | |
EP3438604B1 (en) | Method for determining a position of an at least partially linear object and autocollimator | |
DE3921956A1 (en) | Contactless thickness measurement method esp. of fleece - using intensity profile measurement of distorted line of light projected onto material surface and triangulation technique | |
DE102012107591B4 (en) | Method and device system for determining a surface shape of a measurement object |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |