DE4342830C1 - Vorrichtung zur Erzeugung streifenartiger Lichtmuster - Google Patents
Vorrichtung zur Erzeugung streifenartiger LichtmusterInfo
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Description
Es wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 beschrieben, mit der streifenartige Lichtmuster im Raum
erzeugt werden können. Die Streifenmuster können mit großer geometrischer Ge
nauigkeit wie auch mit großer Genauigkeit der Beleuchtungsstärke erzeugt werden.
Die Beleuchtungsstärke kann hoch sein. Das Streifenmuster kann schnell gewechselt
werden.
Solche Muster werden vorzugsweise in Vorrichtungen für die Messung der Form
von Oberflächen benutzt. Die Streifenmuster werden dabei unter einem Beleuch
tungswinkel auf das Prüfobjekt projiziert und unter einem anderen (Beobachtungs-)
Winkel beobachtet (Triangulation). Aus der lokalen Verschiebung des beobachte
ten Musters kann die Form des Prüfobjektes bestimmt werden. Im allgemeinen sind
dazu mehrere verschiedene Streifenmuster nacheinander zu projizieren und zu be
obachten, wie z. B. in der Druckschrift von M. Halioua, H. Liu, und V. Srinivasan
"Automated phase-measuring profilometry of 3D diffuse objects", Appl. Opt. 23
(1984) 3105-3108 beschrieben.
Es sind eine Reihe von Vorrichtungen zur Projektion von Streifenmustern für die
Formmessung bekannt. Im Prospekt der Fa. ABW, Automatisierung Bildverarbei
tung Dr. Wolf, Strogäustraße 5, 7305 Neuhausen a. d. F., "Linienprojektor Typ LCD
320" ist ein Projektor beschrieben, der mit Hilfe eines Flüssigkristalls funktioniert.
Der Flüssigkristall hat streifenförmige, also sehr schmale aber hohe Elektroden, die
einzeln angesteuert werden können. Bei passender Ansteuerung kann man mit den
einzelnen Elektroden eine beliebige streifenförmige Maske zusammensetzen. Diese
Maske wird mit einer sphärischen Linse auf das Objekt projiziert und erzeugt dort
ein streifenförmiges Lichtmuster. Nachteilig ist, daß Flüssigkristallmasken nur we
nige Grautöne wiedergeben können, oft werden sogar nur binäre Muster erzeugt
(hell oder dunkel). Da aber die Genauigkeit der Grautöne direkt in die erreichbare
Meßgenauigkeit der Form eingeht, wäre die präzise Erzeugung eines gewünschten
Grautonmusters, wünschenswert. Weiter ist die Anzahl der Elektroden beschränkt,
meist nicht größer als 512, und damit weist das Streifenmuster eine räumliche Quan
tisierung auf. Auch diese beeinträchtigt die erzielbare Genauigkeit der Formmessung.
Es wurde eine Methode zur Überwindung dieser Schwierigkeiten angegeben (M.
Gruber und G. Häusler, "Simple, robust and accurate phase-measuring triangula
tion", Optik 89, 3 (1992) 118-122). Das Prinzip ist in Fig. 1 skizziert: eine binäre
Maske (1), bestehend aus den Teilmasken (1a), (1b), (1c), (1d), wird mit einer
Zylinderlinse (2) auf das Objekt projiziert. Es wird keine sphärische Linse benutzt.
Dadurch findet wie in Fig. 1 angegeben eine Abbildung (Strahlvereinigung) nur in
y-Richtung (3) statt. Das Bild jedes Maskenpunktes ist ein Strich in x-Richtung
(4). Infolgedessen weist das projizierte Lichtmuster (5) Streifen in x-Richtung auf.
Die Beleuchtungsstärke entlang der x- Richtung (4) ist konstant. Der Verlauf der
Beleuchtungsstärke in y-Richtung (5) ist proportional zum transparenten Anteil der
Maske entlang der x-Richtung (4) in der jeweiligen Höhe y.
Mit der astigmatischen Projektion können auch mit binären Masken präzise Grau
tonmuster erzeugt werden.
Das Problem, mehrere Teilmasken (1a)-(1d) nacheinander projizieren zu müssen,
wird von Gruber und Häusler folgendermaßen gelöst: Es werden mehrere Teilmasken
(im gezeigten Beispiel (1a)-(1d)), deren Bild jeweils dem gewünschten Lichtmu
ster (5) entspricht, zu einer Maske (1) nebeneinander angeordnet. Mit Hilfe einer
in x-Richtung (4) verschiebbaren Blende (9) wird wie in Fig. 1 angegeben, die
gewünschte Teilmaske zum gewünschten Zeitpunkt freigegeben.
Diese Lösung zeigt folgende Nachteile: 1. dadurch daß die Teilmasken nebeneinander
angeordnet sind, jedoch jeweils nur eine davon projiziert wird, wird ein großer Teil
der ausgeleuchteten Maskenfläche abgeblendet, dadurch geht ein großer Teil der
erreichbaren Beleuchtungsstärke verloren. 2. Die Teilmasken sind an unterschied
lichen Orten im Objektfeld. Dadurch wirken unvermeidbare Aberrationen unter
schiedlich auf die verschiedenen Teilmasken, was die erreichbare Meßgenauigkeit
beeinträchtigt. 3. Es ist eine mechanische Bewegung der Blende notwendig.
Die Aufgabe, die eine Vorrichtung nach Anspruch 1 erfüllen
soll, besteht darin, eine bestimmte Abfolge von Lichtmustern, vorzugsweise für die
Messung der Form von Oberflächen zu erzeugen, wobei jedes der streifenartigen
Lichtmuster sowohl eine hohe Beleuchtungsstärke als auch und ein hohe Präzision
in der aufprojizierten Beleuchtungsstärke aufweisen soll.
Die oben genannten Nachteile werden erfindungsgemäß auf folgende Weise beseitigt
(Fig. 2): es wird eine Maske (1) benutzt, die aus mehreren Teilflächen (6) besteht,
deren Transparenz im allgemeinen getrennt elektrisch gesteuert werden kann. Diese
Teilflächen sind so geformt und angeordnet, daß durch Kombination von transparen
ten und nicht transparenten Teilflächen jedes der erwünschten Lichtmuster erzeugt
werden kann.
Das Prinzip der Kombination von Teilflächen wird nun an einem Beispiel zweier
verschobener Sinus-Lichtmuster erklärt (Fig. 3). Andere Lichtmuster, auch mehr
als zwei Lichtmuster sind nach dem gleichen Prinzip realisierbar.
Die Teilflächen sind mosaikartig ineinandergeschachtelt und so geformt, daß manche
Teilflächen zur Erzeugung verschiedener Streifenmuster mehrfach verwendet werden
können, dadurch lassen sich im allgemeinen auf der Fläche einer Teilmaske (7) alle
Teilmasken unterbringen: die Lichtausbeute wird erhöht, die Aberrationen wirken
auf alle Teilmasken gleich.
Eine Methode, die Teilflächen zu generieren, besteht darin, daß die Graphen der
Funktionen Ik(y) gemeinsam in ein Diagramm eingetragen werden, wie in Fig. 3
gezeigt. Dabei bedeutet Ik(y) den Helligkeitsverlauf im k-ten gewünschten Licht
muster.
Die Funktionen Ik(y) begrenzen Teilflächen (6a)-(6j), wie in Fig. 3 beispielhaft
gezeigt. Die Teilflächen werden als hell- oder dunkelsteuerbare Flächen einer Maske
realisiert. Zum Beispiel können die Teilflächen Elektroden einer Flüssigkristallanzeige
sein oder als Leuchtdioden ausgebildet werden. Wenn z. B. die Teilflächen (6a,
6b, 6c, 6e, 6g) dunkelgesteuert werden, kann man eine Maske wie in Fig. 4 ge
zeigt, erzeugen. Auf der gleichen Grundfläche kann durch einfaches Umsteuern der
Teilflächen eine ganz andere Maske, wie in Fig. 5 gezeigt, erzeugt werden. Dort sind
die Teilflächen (6a, 6b, 6c, 6d, 6f) dunkelgesteuert.
So können Masken in beliebiger Form mit sehr hoher Präzision ohne räumliche
Quantisierung erzeugt werden. In Verbindung mit der astigmatischen Projektion
ist die Erzeugung nahezu beliebiger Streifenmuster mit sehr hoher Genauigkeit der
Grautonwiedergabe möglich.
Die Anzahl der getrennt steuerbaren Elektroden kann im allgemeinen verringert
werden, gegenüber der Anzahl von Teilflächen. Dies ist möglich, weil die Muster im
allgemeinen periodisch sind. Beim Beispiel von Fig. 4, 5 können die Teilflächen (6d,
6f) eine gemeinsame Elektrode erhalten, ebenso die Teilflächen (6e, 6g). Außerdem
weisen manche Teilflächen für alle Teilmasken eine konstante Helligkeit auf. Beim
Beispiel von Fig. 4 und Fig. 5 sind die Teilflächen (6a, 6b, 6c) immer dunkel, und
die Teilflächen (6h, 6i, 6j) immer hell und können durch eine gemeinsame Elektrode
bedient werden oder brauchen bei passender Abdeckung nicht kontaktiert werden.
Durch gemeinsame Hell- oder Dunkelsteuerung aller Teilflächen kann die gesamte
Maskenfläche transparent oder undurchsichtig gemacht werden.
Bei komplizierten Masken mit sehr vielen Teilflächen entstehen i.a. Inseln, d. h.
Teilflächen, die vom Rand durch andere Teilflächen getrennt sind. Die Zuführung
der Kontakte über andere Teilflächen kann vermieden werden, indem die Teilflächen
in x-Richtung auseinandergezogen werden, wie in Fig. 6 gezeigt. Die entstehenden
Spalten (8) werden undurchsichtig abgedeckt. In den Spalten können die Zuleitun
gen verlaufen. Das projizierte Muster ändert sich dabei nicht, wegen der Integration
durch die astigmatische Optik.
Um zu komplizierte Strukturen auf der Maske zu vermeiden, können die Details der
Maske mit Hilfe einer nicht steuerbaren, undurchsichtigen Abdeckung realisiert wer
den, hinter der sich gröbere, steuerbare Teilflächen befinden. Eine solche Abdeckung
kann mit Hilfe einer Chrommaske realisiert werden.
Für die Steuerung der Helligkeit stehen viele Technologien zur Verfügung:
Flüssigkristall-Technologie, der elektrooptische Effekt, Kerr Effekt, Ultraschall-
Modulatoren. Es sind auch aktive Bauelemente denkbar, wie z. B. Leuchtdioden oder
Glimmlampen bzw. Glühlampen, Plasmaentladungen, die die Form der Teilflächen
haben.
Claims (8)
1. Vorrichtung zur Erzeugung vorgegebener streifenartiger Lichtmuster (5), be
stehend aus einer beleuchteten oder aktiv leuchtenden Maske (1), und einem
astigmatischen Abbildungssystem (2),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Maske (1) aus Teilflächen (6) zusammengesetzt ist, und
daß die Transparenz oder die Helligkeit der Teilflächen (6) steuerbar ist, und
daß die Teilflächen (6) so hell- oder dunkelgesteuert werden, daß die entste hende Kombination eine gewünschte Teilmaske (7) ergibt, deren astigmati sches Bild das gewünschte Streifenmuster (5) ist, und
daß durch andere Kombinationen von hell- oder dunkelgesteuerten Teilflächen (6) zwischen verschiedenen vorgegebenen Lichtmustern umgeschaltet werden kann.
daß die Maske (1) aus Teilflächen (6) zusammengesetzt ist, und
daß die Transparenz oder die Helligkeit der Teilflächen (6) steuerbar ist, und
daß die Teilflächen (6) so hell- oder dunkelgesteuert werden, daß die entste hende Kombination eine gewünschte Teilmaske (7) ergibt, deren astigmati sches Bild das gewünschte Streifenmuster (5) ist, und
daß durch andere Kombinationen von hell- oder dunkelgesteuerten Teilflächen (6) zwischen verschiedenen vorgegebenen Lichtmustern umgeschaltet werden kann.
2. Vorrichtung zur Erzeugung vorgegebener streifenartiger Lichtmuster nach An
spruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilflächen (6) so ausgeformt sind, daß der transparente Anteil in
der entstehenden Teilmaske (7) sich in y-Richtung (3) kontinuierlich ändert,
und sich auf diese Weise ein Lichtmuster (5) ohne sprunghafte Hellig
keitsänderungen ergibt.
3. Vorrichtung zur Erzeugung vorgegebener streifenartiger Lichtmuster nach An
spruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilflächen (6) so geformt sind, daß einige der Teilflächen nicht nur bei
einer, sondern bei mehreren der vorgegebenen Lichtmuster (5) hellgesteuert
sind.
4. Vorrichtung zur Erzeugung vorgegebener streifenartiger Lichtmuster nach An
spruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zur Erzeugung aller Teilmasken (7) notwendigen Teilflächen (6) auf
der Fläche nur einer Teilmaske untergebracht werden, indem die Teilflächen
(6) mosaikartig verschachtelt werden.
5. Vorrichtung zur Erzeugung vorgegebener streifenartiger Lichtmuster nach
Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilflächen (6) in x-Richtung (4) auseinandergezogen sind und
daß die entstehenden Spalten (8) dafür genutzt werden, die Zuleitungen zur
Hell- oder Dunkelsteuerung der Teilflächen (6) aufzunehmen.
6. Vorrichtung zur Erzeugung vorgegebener streifenartiger Lichtmuster nach An
spruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich auf der Maske eine zusätzliche nicht-steuerbare, lichtundurchlässige
Abdeckung befindet, die ebenfalls zur Strukturierung der Lichtmuster beiträgt.
7. Vorrichtung zur Erzeugung vorgegebener streifenartiger Lichtmuster nach An
spruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Hell- und Dunkelsteuerung Flüssigkristalle benutzt werden.
8. Vorrichtung zur Erzeugung vorgegebener streifenartiger Lichtmuster nach An
spruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Hell- oder Dunkelsteuerung Teilflächen aus geeignet geformten
Leuchtdioden benutzt werden.
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