DE69516728T2

DE69516728T2 - Hervorheben von oberflächen-topographie

Info

Publication number: DE69516728T2
Application number: DE69516728T
Authority: DE
Inventors: Anton Marincak
Original assignee: National Research Council of Canada
Current assignee: National Research Council of Canada
Priority date: 1995-02-14
Filing date: 1995-02-14
Publication date: 2000-11-23
Anticipated expiration: 2015-02-15
Also published as: WO1996025659A1; CA2212735A1; ES2148491T3; JPH10513565A; DE69516728D1; EP0809800B1; CA2212735C; JP3390014B2; AU716024B2; AU1702195A; EP0809800A1; US6201623B1

Description

Diese Erfindung betrifft die Verbesserung bei der Oberflächentopographie und genauer ein Verfahren und einen Apparat zum Erzeugen einer topographisch verbesserten Darstellung eines Gegenstandes.
Viele Abbildungssysteme zum Erzeugen einer Darstellung der Oberfläche des Gegenstandes sind bekannt. Das einfachste derartige System würde beispielsweise ein Fotokopierer sein, wo der Gegenstand beleuchtet wird, um ein latentes Bild auf einer Selen-Trommel zu bilden. Optische Abtastgeräte um Abtasten von Bildern in Computern sind wohlbekannt.
Das Problem bei solchen Systemen ist, daß sie keine guten Darstellungen von topographisch reichen Oberflächen machen, wobei die zweidimensionale Natur solcher Systeme inhärent schlecht für die Reproduktion topographischer Details geeignet ist.
Das US-Patent 4 920 385 offenbart eine Vorrichtung zum Überprüfen von Oberflächenfehlern, wobei die Oberfläche mit einem sich bewegenden Lichtstrahl abgetastet wird. Jedoch bietet diese Vorrichtung nicht die gewünschte Auflösung für topologische Merkmale.
Das US-Patent 4 900 153 offenbart eine Anordnung zum Identifizieren topologischer Merkmale, die die Tatsache ausnutzt, daß solche Merkmale als ein Schattenumriß herausstehen, wenn man sie unter einem flachen Winkel gegen einen hellen Hintergrund betrachtet. Diese Anordnung jedoch zeigt nur die topologischen Merkmale als Silhouetten und gibt keine gute Darstellung ihrer Oberflächenmerkmale.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System zur Verfügung zu stellen, das in der Lage ist, die Darstellung topographischer Einzelheiten in einem zweidimensionalen Bild zu verbessern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Apparat zum Erzeugen einer topographisch verbesserten Darstellung eines Gegenstandes zur Verfügung gestellt, mit Mitteln zum Erzeugen eines Lichtstrahls zum Beleuchten des Gegenstandes, Mitteln zum kontinuierlichen Vorbewegen des Lichtstrahls über die Oberfläche des Gegenstandes und Mitteln zum Abtasten des beleuchteten Gegenstandes unter einem Streifwinkel, wenn sich der Lichtstrahl kontinuierlich über den Gegenstand vorbewegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen eines Lichtstrahls einen Strahl erzeugen, der aus einer zentralen Hauptzone und einer Randzone besteht, wobei die Lichtintensität mit Entfernung in der Richtung des Abtastens schnell abnimmt, und die Abtastmittel so ausgeführt sind, daß der Gegenstand in der Randzone abgetastet wird.
Mit "schnell abfallen" ist gemeint, daß die Änderung der Intensität ähnlich der ist, die in der Randzone eines rechtwinkligen Lichtbandes erfahren wird, obwohl sie durch andere Mittel erzeugt werden kann. Diese Änderung in der Intensität, die so wirkt, daß Oberflächenstörungen verstärkt werden, ist typischerweise in der Größenordnung eines Faktors zwei über eine Entfernung von ungefähr 2.03 cm (0,8 Zoll). Bei einer solchen Ausführungsform wird die zu überprüfende Oberfläche von einer Lichtquelle beleuchtet, die ein kollimiertes Lichtband von einem Schlitz her erzeugt. Entlang einer Kante des Bandes fällt die Intensität schnell ab, wenn die Entfernung von der Kante zunimmt.
Ein Abtastgerät führt normalerweise eine Anzahl querverlaufender Abtastzeilen aus und bewegt sich über den Gegenstand, der abgetastet wird, in einer Richtung im allgemeinen senkrecht zu den querverlaufenden Abtastzeilen vorwärts. Die Vorbewegungsrichtung des Abtastgerätes wird als die Abtastrichtung betrachtet.
Diese Fläche oder Streifen ist der Kantenlichtbereich, der sich aus der Beugung an den Kanten des Schlitzes ergibt. Seine Breite ist sehr gering, und seine Eigenschaften können abgeändert werden, indem der Winkel der Beleuchtungsquelle geändert wird. Ein Bildstreifen, der unter einem Streifwinkel von bevorzugt 3 bis 6 Grad in dieser Zone auf die Oberfläche fokussiert wird, wird benutzt, um die Intensitätsänderungen zu sammeln, die durch Steigungsänderungen auf der Oberfläche hervorgerufen werden. Kleine Änderungen in der Steigung verursachen große Verschiebungen in der Lichtintensität.
Bevorzugt wird ein Linien-Abtastgerät benutzt, um die Intensitätsdaten zu sammeln. Der Bildstreifen hat normalerweise eine Breite von nur einem Pixel oder zweien, wobei grob zu 0.00254 cm (0.001 Zoll) gemessen wird. Dies paßt gut zu dem Kantenlichtbereich, der bei dem Abtastgerät verwendet wird, welcher eine Bereichsbreite hat, die nahe bei 0.2 cm (0.08 Zoll) liegt. Abhängig davon, wo sich der Streifen in dem Bereich befindet, gehen die Intensitätsverschiebungen von hoch nach niedrig oder von niedrig nach hoch. Wenn sich das Abtastgerät entlang der Oberfläche bewegt, bewegt sich die Lichtkante damit. Das verbesserte Bild wird aufgebaut, indem die Streifen zusammen kombiniert werden.
Das Endergebnis ist ein Bild mit hoher Auflösung mit helleren oder dunkleren Flächen, die Oberflächensteigungsänderungen hervorheben.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Erzeugen einer topographisch verbesserten Darstellung eines Gegenstandes zur Verfügung, bei dem ein Lichtstrahl kontinuierlich über die Oberfläche des Gegenstandes vorbewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl aus einer zentralen Hauptzone und einer Randzone besteht, dessen Lichtintensität mit Entfernung in Richtung des Abtastens schnell abnimmt, und der Gegenstand in der Randzone durch den sich über die Oberfläche des beleuchteten Gegenstandes bewegenden Lichtstrahl unter einem Streifwinkel abgetastet wird.
Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten, lediglich beispielhaft, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. I eine perspektivische Ansicht einer vereinfachten optischen Anordnung ist;
Fig. 2 eine Schnittansicht der vereinfachten optischen Anordnung ist;
Fig. 3 den Bildaufbau veranschaulicht;
Fig. 4 die Eigenschaften des Kantenlichtbereiches zeigt;
Fig. 5 das Prinzip der Erfindung veranschaulicht;
Fig. 6 eine Auftragung der Intensität gegen die Entfernung in der Randzone in Einheiten von einem Zoll ist;
Fig. 7 kanadisches Papiergeld zeigt, das in herkömmlicher Weise abgetastet ist;
Fig. 8 kanadisches Papiergeld zeigt, das abgetastet worden ist, indem ein Apparat gemäß der Erfindung verwendet wurde, der so eingerichtet ist, daß er auf Dunkel-Hell- Steigungsänderungen antwortet.
Fig. 9 zeigt kanadisches Papiergeld, das mit einem Apparat gemäß der Erfindung abgetastet wurde, der so eingestellt ist, das er auf Hell-Dunkel-Steigungsänderungen antwortet; und
Fig. 10 und 11 sind Großaufnahmen der Fig. 8 bzw. 9.
Mit Bezug nun auf die Fig. 1 und 2 weist der Apparat eine Lichtquelle 1 auf, so wie eine Fluoreszenzstreifenlampe, und einen rechtwinkligen Schlitz 2, durch den ein kollimierter Lichtstrahl läuft und der ein rechtwinkliges Lichtband 3 auf der topographisch reichen Oberfläche 5 eines Gegenstandes 6 bildet, der abgetastet werden soll. Der Schlitz 2 ist so angeordnet, daß der einfallende Lichtstrahl auf die Oberfläche unter einem Winkel A von ungefähr 80 Grad trifft.
Das rechtwinklige Band hat eine Randzone 3a in der Form eines rechtwinkligen Streifens, wenn die Intensität weg vom Band schnell abfällt. Dies ist der Bereich, wo Beugungseffekte bemerkbar sind.
Fig. 4 zeigt das Profil des Lichtbandes 3 auf der Oberfläche des Gegenstandes. In der Hauptzone des Bandes 3 ist die Lichtintensität im wesentlichen konstant. An der Kante fällt aufgrund von Beugungseffekten die Intensität nicht unmittelbar auf Null, obwohl sie sehr schnell mit der Entfernung in einer Randzone 3a abfällt. Gemäß der Erfindung wird die Oberfläche in dieser Randzone 3a abgetastet.
Zurück zu den Fig. 1 und 2 enthält eine Abtastoptikanordnung 7 eine Zeilen-Kamera 8 einschließlich einer ladungsgekoppelten Vorrichtung und zugeordneter Optik zum Abtasten eines empfangenen Bildes in der Randzone 3a.
Spiegel 9 und 10 sind so angeordnet, daß sie Licht empfangen, das von der Oberfläche S unter einem Streifwinkel B von ungefähr 3 bis 6 Grad reflektiert worden ist, und richten das reflektierte Licht auf die Abtastoptik 7.
Im Betrieb wird die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Anordnung kontinuierlich über die Oberfläche 5 des Gegenstandes bewegt, so daß die Oberfläche 5 zeilenweise in der Art abgetastet wird, die in Fig. 3 gezeigt ist, um ein Bild aufzubauen, das aus einer Anzahl von Abtastzeilen in einer herkömmlichen Weise besteht.
Da die Oberfläche unter einem Streifwinkel abgetastet wird und die Intensität sich mit dem Abstand sehr schnell ändert, werden topographische Merkmale verstärkt. Fig. 5 zeigt warum. Es sei angenommen, daß eine ansonsten ebene Oberfläche 5 einen Buckel 15 hat, der in der Randzone 3a liegt, wo die Intensität Id sich sehr schnell mit der Entfernung d ändert. Wenn die Abtastoptik den Buckel in der Richtung 11 sieht, wird sie die Oberfläche des Buckels 15 an einem Punkt 15a sehen, wo die Intensität einen ersten Wert Iy hat. Beim Fehlen des Buckels 15 würde sie die Oberfläche an einem Punkt 15b sehen, wo die Intensität einen Wert Ix hat. Da durch Vorannahme (Ix-Iy) wesentlich ist, aufgrund der sich schnell ändernden Intensität mit der Entfernung d, zeigt dieses sich in dem Bild als eine schnelle Änderung in der Intensität mit der Oberflächenkontur.
Um die Intensität im Kantenlichtbereich zu messen, wurde ein IPS-System des National Research Council benutzt. Das Abtastgerät befand sich auf einer halbtransparenten Oberfläche. Das erzeugte Bild wurde dann digital eingefangen und analysiert, wobei die Bildverarbeitungssoftware benutzt wurde. Eine kalibrierte Auftragung der Intensität gegen die Entfernung wurde erzeugt, wie in Fig. 6 gezeigt. Dies zeigt, daß die Kurve eine Intensitätsänderung von 1022 Einheiten auf 122 Einheiten über eine Entfernung von 1.27 cm (0.5 Zoll) hat. Der Kantenlichtbereich auf dieser Kurve hat eine Intensitätsänderung von 1000 Einheiten auf 422 über eine Entfernung von 2.03 cm (0.8 Zoll) (eine Einheit pro 0.000254 cm (0.0001 Zoll)). Viele unterschiedliche Kurven können erzeugt werden, daß es für die Oberflächentopographie paßt, wie es dem Fachmann deutlich werden wird. Indem der Kantenlichtbereich ausgedehnt oder zusammengezogen wird, kann die Empfindlichkeit auf die Oberflächentopographie eingestellt werden.
Fig. 8 bis 11 zeigen die Ergebnisse, die mit der Erfindung erhalten worden sind, im Vergleich mit den Ergebnissen einer herkömmlichen Abtastung, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist. Man sieht, daß die Erfindung die Oberflächeneinzelheiten beträchtlich verstärkt.

Claims

1. Apparat zur Erzeugung einer topographisch verbesserten Darstellung eines Gegenstandes, bestehend aus Mitteln zur Erzeugung eines Lichtstrahls zur Beleuchtung des Gegenstandes, aus Mitteln zu einer kontinuierlichen Bewegung dieses Lichtstrahls über die Oberfläche des Gegenstandes, und aus Mitteln zum Abtasten des beleuchteten Gegenstandes unter einem Streifwinkel, wenn sich der Lichtstrahl allmählich über dem Gegenstand bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung eines Lichtstrahls bestimmten Mittel einen Lichtstrahl erzeugen, der aus einer zentralen Hauptzone (3) und einer Randzone (3a) besteht, wobei die Lichtintensität mit Entfernung in der Richtung des Abtastens schnell abnimmt, und die Abtastmittel (7) so ausgeführt sind, daß der Gegenstand in der Randzone (3a) abgetastet wird.

2. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifwinkel 3 bis 6º beträgt.

3. Apparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl die Form eines rechteckigen Streifens (3, 3a) hat, der über die Oberfläche des Gegenstandes streicht.

4. Apparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtintensität in der zentralen Zone (3) etwa konstant ist.

5. Apparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastmittel (7) technische Mittel zur Erzeugung eines Zeilenbildes des Gegenstandes in der Randzone (3a) und eine Zeilen-Kamera (8) zum Abtasten des Zeilenbildes umfassen.

6. Apparat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Randzone (3a) eine Breite von nicht mehr als etwa zwei Pixel hat.

7. Apparat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilen-Kamera (8) ein Gerät mit Ladungsübertragung einschließt.

8. Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht erzeugenden Mittel und die Abtastmittel (7) zusammen eine Einheit bilden, die über die Querfläche des abzutastenden Gegenstandes bewegt werden kann.

9. Verfahren zur Erzeugung einer topographischen verbesserten Darstellung eines Gegenstandes, wobei ein Lichtstrahl kontinuierlich über die Oberfläche des Gegenstandes gestrichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl aus einer zentralen Hauptzone (3) und einer Randzone (3a) besteht, dessen Lichtintensität mit Entfernung in der Richtung des Abtastens schnell abnimmt, und der Gegenstand in der Randzone (3a) durch den sich über die Oberfläche des beleuchteten Gegenstandes bewegenden Lichtstrahl unter einem Streifwinkel abgetastet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifwinkel 3 bis 6º beträgt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (3a) die Randzone eines Kollimationslichtstrahls umfaßt.