Title:
Abbildungssystem und Abbildungsverfahren
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein innerhalb kurzer Zeit erfolgendes Abbilden eines Objektes unter Verwendung eines Abbildungssystems vom nicht scannenden Typ und unterdrückt dabei die Unschärfe in dem sich ergebenden Bild durch geeignete Behandlung der Variationen der Oberflächenhöhe des Objektes.
Ein Abbildungssystem 1 beinhaltet: eine Bilderstellungsvorrichtung 20, die Bildinformation eines Objektes O bezieht, wenn die Brennweite zu dem Objekt O von einer brennweitenveränderlichen Linse 45 in einem optischen System 30 geändert wird, um so ein vollfokussiertes Bild des Objektes O zu erstellen; eine Sensorvorrichtung 21, die Variationen der Oberflächenhöhe des Objektes O in einer Fokusrichtung L detektiert; und eine Positionsanpassungsvorrichtung 22, die die Position des Objektes O in Fokusrichtung L entsprechend den von der Sensorvorrichtung 21 detektierten Oberflächenhöhenvariationen des Objektes O anpasst. Die Positionsanpassungsvorrichtung 22 passt die Position des Objektes O in der Fokusrichtung L derart an, dass die Oberflächenhöhe des Objektes O näher an das Zentrum eines brennweitenveränderlichen Bereiches S der brennweitenveränderlichen Linse 45 heranrückt.





Inventors:
Cho, Gyokubu (Kanagawa, Kawasaki-shi, JP)
Nagahata, Tatsuya (Kanagawa, Kawasaki, JP)
Ootake, Takahisa (Kanagawa, Kawasaki-shi, JP)
Kitagawa, Kazuki (Kanagawa, Kawasaki-shi, JP)
Application Number:
DE102017001982A
Publication Date:
10/05/2017
Filing Date:
03/01/2017
Assignee:
Mitutoyo Corporation (Kanagawa, Kawasaki-shi, JP)
International Classes:
G01B11/24; G02B7/09; G02B7/28; G02B21/00; G02B27/40; G03B13/36
Foreign References:
JP2016074566A2016-05-12
JP2015104136A2015-06-04
Other References:
„Digital Image Processsing” von Kenneth R. Castleman (Prentice-Hall Inc., 1996)
Attorney, Agent or Firm:
Müller-Boré & Partner Patentanwälte PartG mbB, 80639, München, DE
Claims:
1. Abbildungssystem, umfassend:
eine Bilderstellungsvorrichtung, die ein optisches System umfasst, das eine brennweitenveränderliche Linse aufweist, die eine Brennweite zu einem Objekt innerhalb eines vorbestimmten Bereiches ändern kann, wobei die Bilderstellungsvorrichtung Bildinformation des Objektes bezieht, wenn die Brennweite von der brennweitenveränderlichen Linse geändert wird, und ein vollfokussiertes Bild des Objektes erstellt;
eine Sensorvorrichtung, die Variationen einer Oberflächenhöhe des Objektes in Richtung des Fokus detektiert; und
eine Positionsanpassungsvorrichtung, die eine Position des Objektes in Richtung des Fokus entsprechend den von der Sensorvorrichtung detektierten Oberflächenhöhenvariationen des Objektes anpasst,
wobei die Positionsanpassungsvorrichtung die Position des Objektes in Richtung des Fokus derart anpasst, dass die Oberflächenhöhe des Objektes näher an das Zentrum eines brennweitenveränderlichen Bereiches der brennweitenveränderlichen Linse heranrückt.

2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, wobei die Sensorvorrichtung detektiert, dass sich die Oberflächenhöhe des Objektes innerhalb des brennweitenveränderlichen Bereiches um eine vorbestimmte Schwelle vom Zentrum des brennweitenveränderlichen Bereiches bewegt hat und wobei die Positionsanpassungsvorrichtung die Position des Objektes in Richtung des Fokus anpasst, wenn die Sensorvorrichtung detektiert, dass sich die Oberflächenhöhe des Objektes um die vorbestimmte Schwelle bewegt hat.

3. Abbildungssystem nach Anspruch 2, wobei die vorbestimmte Schwelle als Abstände in entgegengesetzten Richtungen weg vom Zentrum des brennweitenveränderlichen Bereiches gewählt ist.

4. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Positionsanpassungsvorrichtung die Position des Objektes in Richtung des Fokus derart anpasst, dass die Oberflächenhöhe des Objektes mit dem Zentrum des brennweitenveränderlichen Bereiches zusammenfällt.

5. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sensorvorrichtung eine Laserlichtquelle, die Laserlicht zu dem Objekt ausstrahlt, und eine Fotodiode, die das von dem Objekt reflektierte Laserlicht empfängt, beinhaltet.

6. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Positionsanpassungsvorrichtung eine Bewegungsvorrichtung, die die Position des Objektes in Richtung des Fokus bewegt, und eine Positionssteuerung bzw. Regelung, die die Bewegungsvorrichtung derart steuert bzw. regelt, dass die Position des Objektes in Richtung des Fokus angepasst wird, beinhaltet.

7. Abbildungsverfahren, umfassend die nachfolgenden Schritte:
Beziehen von Bildinformation eines Objektes, wobei eine Brennweite zu dem Objekt unter Verwendung einer in einem optischen System vorgesehenen brennweitenveränderlichen Linse derart geändert wird, dass ein vollfokussiertes Bild des Objektes erstellt wird;
Detektieren von Variationen einer Oberflächenhöhe des Objektes in Richtung des Fokus; und
in Reaktion auf die Variationen der Oberflächenhöhe des Objektes erfolgendes Anpassen einer Position des Objektes in Richtung des Fokus derart, dass die Oberflächenhöhe des Objektes näher an das Zentrum eines brennweitenveränderlichen Bereiches der brennweitenveränderlichen Linse heranrückt.

8. Abbildungsverfahren nach Anspruch 7, wobei die Position des Objektes in Richtung des Fokus angepasst wird, wenn sich die Oberflächenhöhe des Objektes innerhalb des brennweitenveränderlichen Bereiches um eine vorbestimmte Schwelle vom Zentrum des brennweitenveränderlichen Bereiches bewegt.

9. Abbildungsverfahren nach Anspruch 8, wobei die vorbestimmte Schwelle als Abstände in entgegengesetzten Richtungen weg vom Zentrum des brennweitenveränderlichen Bereiches gewählt ist.

10. Abbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Position des Objektes in Richtung des Fokus derart angepasst wird, dass die Oberflächenhöhe des Objektes mit dem Zentrum des brennweitenveränderlichen Bereiches zusammenfällt.

Description:
Querverweis auf verwandte Anmeldungen

Die vorliegende Anmeldung beruht auf der am 1. April 2016 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. JP2016-074566, beansprucht deren Priorität und nimmt deren gesamte Offenbarung hiermit durch Verweisung mit auf.

HintergrundGebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Abbildungssysteme und Abbildungsverfahren.

Beschreibung des Standes der Technik

Bei herkömmlichen Abbildungssystemen von scannenden Typ, die als Abbildungssysteme für Mikroskope, Bildmesseinrichtungen, Prüfeinrichtungen, Laserbearbeitungseinrichtungen und dergleichen verwendet werden, wird eine Mehrzahl von Bildern durch Scannen mit einem optischen System in Z-Richtung (Richtung des Fokus) aufgenommen, und es werden im Fokus befindliche Abschnitte der bezogenen Bilder kombiniert, um ein Bild (vollfokussiertes Bild) zu erzeugen, das im gesamten Sichtfeld im Fokus ist.

Derartige Abbildungssysteme von scannenden Typ können jedoch das optische System nicht in X-Y-Richtung (das heißt in einer Richtung senkrecht zur Z-Richtung) bewegen, bis eine notwendige Anzahl von Bildern durch Scannen mit dem optischen System in Z-Richtung aufgenommen worden ist. Aus diesem Grunde kann es beträchtliche Zeit in Anspruch nehmen, ein komplettes Bild eines Zielobjektes zu erstellen.

Eingedenk dieser Gegebenheiten sind unlängst Abbildungssysteme vom nicht scannenden Typ vorgestellt worden (siehe JP2015-104136 A), wobei derartige Systeme ein optisches System beinhalten, das mit einer brennweitenveränderlichen Linse ausgestattet ist, die die Brennweite ändert und ein vollfokussiertes Bild eines Objektes dadurch erzeugt, dass Bildinformation über das Objekt bezogen wird, während die Brennweite zu dem Objekt geändert wird. Im Gegensatz zu Abbildungssystemen vom scannenden Typ muss bei Abbildungssystemen vom nicht scannenden Typ so, wie sie vorstehend beschrieben worden sind, das optische System mechanisch nicht in Z-Richtung bewegt werden, sondern es können instantan Bilder mit verschiedenen Brennweiten bezogen werden, sodass der Bildbereich in X-Y-Richtung bewegt werden kann, während vollfokussierte Bilder für jedes Sichtfeld bezogen werden. Im Ergebnis kann das gesamte Objekt innerhalb kurzer Zeit abgebildet werden.

Zusammenfassung

Bei derartigen Abbildungssystemen vom nicht scannenden Typ unterliegt der brennweitenveränderliche Bereich (erweiterte Feldtiefe) der brennweitenveränderlichen Linse jedoch gewissen Beschränkungen in Abhängigkeit von der Vergrößerung bei der Beobachtung, der Größe des Systems und dergleichen mehr. Im Ergebnis deckt, wenn ein Objekt starke Wellungen oder Erhebungen und dergleichen an seiner Oberfläche aufweist, der brennweitenveränderliche Bereich der brennweitenveränderlichen Linse gegebenenfalls in einigen Fällen eine derart ungleichmäßige Form des Objektes nicht ausreichend ab, was dazu führt, dass das Bild gegebenenfalls teilweise außerhalb des Fokus ist.

Die vorliegende Erfindung wurde vor dem Hintergrund dieser Gegebenheiten gemacht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Verwirklichung des innerhalb kurzer Zeit erfolgenden Abbildens eines Objektes unter Verwendung eines Abbildungssystems vom nicht scannenden Typ, wobei der Unschärfe in dem sich ergebenden Bild durch geeignete Reaktion auf Wellungen oder Erhebungen an der Oberfläche des Objektes entgegengewirkt wird.

Man hat im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung als Ergebnis intensiver Studien herausgefunden, dass die vorbeschriebene Aufgabe dadurch gelöst werden kann, dass Variationen der Oberflächenhöhe eines Objektes detektiert werden und die Position des Objektes in Fokusrichtung auf Grundlage der detektierten Variationen derart angepasst wird, dass die Oberflächenhöhe des Objektes näher an das Zentrum des brennweitenveränderlichen Bereiches der brennweitenveränderlichen Linse heranrückt, was die vorliegende Erfindung vervollständigt.

Entsprechend beinhalten verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung das Folgende:

  • (1) Abbildungssystem, umfassend: eine Bilderstellungsvorrichtung, die ein optisches System umfasst, das eine brennweitenveränderliche Linse aufweist, die eine Brennweite zu einem Objekt innerhalb eines vorbestimmten Bereiches ändern kann, wobei die Bilderstellungsvorrichtung Bildinformation des Objektes bezieht, wenn die Brennweite von der brennweitenveränderlichen Linse geändert wird, und ein vollfokussiertes Bild des Objektes erstellt; eine Sensorvorrichtung, die Variationen der Oberflächenhöhe des Objektes in Richtung des Fokus detektiert; und eine Positionsanpassungsvorrichtung, die die Position des Objektes in Richtung des Fokus entsprechend den von der Sensorvorrichtung detektierten Oberflächenhöhenvariationen des Objektes anpasst, wobei die Positionsanpassungsvorrichtung die Position des Objektes in Richtung des Fokus derart anpasst, dass die Oberflächenhöhe des Objektes näher an das Zentrum eines brennweitenveränderlichen Bereiches der brennweitenveränderlichen Linse heranrückt.
  • (2) Abbildungssystem nach Punkt (1), wobei die Sensorvorrichtung detektiert, dass sich die Oberflächenhöhe des Objektes innerhalb des brennweitenveränderlichen Bereiches um eine vorbestimmte Schwelle vom Zentrum des brennweitenveränderlichen Bereiches bewegt hat und wobei die Positionsanpassungsvorrichtung die Position des Objektes in Richtung des Fokus anpasst, wenn die Sensorvorrichtung detektiert, dass sich die Oberflächenhöhe des Objektes um die vorbestimmte Schwelle bewegt hat.
  • (3) Abbildungssystem nach Punkt (2), wobei die vorbestimmte Schwelle als Abstände in entgegengesetzten Richtungen weg vom Zentrum des brennweitenveränderlichen Bereiches gewählt ist.
  • (4) Abbildungssystem nach einem der Punkte (1) bis (3), wobei die Positionsanpassungsvorrichtung die Position des Objektes in Richtung des Fokus derart anpasst, dass die Oberflächenhöhe des Objektes mit dem Zentrum des brennweitenveränderlichen Bereiches zusammenfällt.
  • (5) Abbildungssystem nach einem der Punkte (1) bis (4), wobei die Sensorvorrichtung eine Laserlichtquelle, die Laserlicht zu dem Objekt ausstrahlt, und eine Fotodiode, die das von dem Objekt reflektierte Laserlicht empfängt, beinhaltet.
  • (6) Abbildungssystem nach einem der Punkte (1) bis (5), wobei die Positionsanpassungsvorrichtung eine Bewegungsvorrichtung, die die Position des Objektes in Richtung des Fokus bewegt, und eine Positionssteuerung bzw. Regelung, die die Bewegungsvorrichtung derart steuert bzw. regelt, dass die Position des Objektes in Richtung des Fokus angepasst wird, beinhaltet.
  • (7) Abbildungsverfahren, umfassend die nachfolgenden Schritte: Beziehen von Bildinformation eines Objektes, wobei eine Brennweite zu dem Objekt von einer in einem optischen System vorgesehenen brennweitenveränderlichen Linse derart geändert wird, dass ein vollfokussiertes Bild des Objektes erstellt wird; Detektieren von Variationen der Oberflächenhöhe des Objektes in Richtung des Fokus; und in Reaktion auf die Variationen der Oberflächenhöhe des Objektes erfolgendes Anpassen der Position des Objektes in Richtung des Fokus derart, dass die Oberflächenhöhe des Objektes näher an das Zentrum eines brennweitenveränderlichen Bereiches der brennweitenveränderlichen Linse heranrückt.
  • (8) Abbildungsverfahren nach Punkt (7), wobei die Position des Objektes in Richtung des Fokus angepasst wird, wenn sich die Oberflächenhöhe des Objektes innerhalb des brennweitenveränderlichen Bereiches um eine vorbestimmte Schwelle vom Zentrum des brennweitenveränderlichen Bereiches bewegt.
  • (9) Abbildungsverfahren nach Punkt (8), wobei die vorbestimmte Schwelle als Abstände in entgegengesetzten Richtungen weg vom Zentrum des brennweitenveränderlichen Bereiches gewählt ist.
  • (10) Abbildungsverfahren nach einem der Punkte (7) bis (9), wobei die Position des Objektes in Richtung des Fokus derart angepasst wird, dass die Oberflächenhöhe des Objektes mit dem Zentrum des brennweitenveränderlichen Bereiches zusammenfällt.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Abbildungssystems zur Darstellung eines Beispiels der Ausgestaltung eines Abbildungssystems.

2 ist eine schematische Illustration zur Darstellung eines Beispiels der internen Ausgestaltung eines Abbildungssystems.

3 ist ein Graph zur Darstellung einer an Fotodioden anliegenden Signalspannung.

4 ist ein Graph zur Darstellung einer Wellenformvariation einer Brennweite.

5 ist eine schematische Illustration zur Darstellung eines Beispiels der internen Ausgestaltung eines einen optischen Filter verwendenden Abbildungssystems.

6 ist eine Illustration zur Erläuterung der Änderung der Position eines Objektes in Fokusrichtung bei einem Beispiel.

Detailbeschreibung

Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der begleitenden Zeichnung beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung sind dieselben Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, wobei eine wiederholte Erläuterung derselben unterbleibt. Die Positionsbeziehungen, so beispielsweise die Oben-Unten- und Rechts-Links-Beziehungen, beruhen auf den in der Zeichnung gezeigten, außer dies ist anders angegeben. Die verschiedenen Abmessungsverhältnisse, die in der Zeichnung gezeigt sind, sind nicht auf die in der Zeichnung dargestellten beschränkt. Darüber hinaus sind die nachstehend aufgeführten Ausführungsformen lediglich Beispiele zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist.

Abbildungssystem

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Abbildungssystems 1 entsprechend der vorliegenden Erfindung und zeigt ein Beispiel der Ausgestaltung des Abbildungssystems 1. Das Abbildungssystem 1 beinhaltet beispielsweise eine Messmaschine 10, einen Computer 11 und einen Drucker 12. Eine Bilderstellungsvorrichtung 20 entsprechend der vorliegenden Erfindung, eine Sensorvorrichtung 21 und eine Positionsanpassungsvorrichtung 22 sind in die Messmaschine 10 und den Computer 11 integriert. 2 ist eine schematische Illustration zur Darstellung eines Beispiels der internen Ausgestaltung des Abbildungssystems 1.

Wie in 2 gezeigt ist, beinhaltet die Bilderstellungsvorrichtung 20 beispielsweise ein optisches System 30 eines Mikroskops, einen Abbildungsprozessor 31 und eine optische Systemsteuerung bzw. Regelung 32.

Das optische System 30 ist an der Messmaschine 10 montiert. Das optische System 30 ist ein unendlichkeitskorrigiertes optisches System, das beispielsweise eine Lichtquelle 40, einen Strahlteiler 41, eine Objektivlinse 42, eine Abbildungslinse 43, eine Kollimatorlinse 44, eine brennweitenveränderliche Linse 45, eine Abbildungslinse 46 und eine Kamera 47 beinhaltet. Das von der Lichtquelle 40 ausgegebene Licht wird an dem Strahlteiler 41 reflektiert, gelangt durch die Objektivlinse 42 und trifft sodann auf die Oberfläche eines Objektes O auf. Das Licht wird sodann an der Oberfläche des Objektes O reflektiert, gelangt durch die Objektivlinse 42, die Abbildungslinse 43, die Kollimatorlinse 44, die brennweitenveränderliche Linse 45 und die Abbildungslinse 46 und wird sodann in die Kamera 47 eingeleitet. Die in der Kamera 47 bezogenen Bilddaten werden an den Bildprozessor 31 ausgegeben.

Die brennweitenveränderliche Linse 45 ist beispielsweise eine Brechungslinse mit einstellbarem akustischem Gradientenindex. In Reaktion auf Steuer- bzw. Regelsignale von einer Linsensteuerung bzw. Regelung 48 kann die brennweitenveränderliche Linse 45 die Brennweite relativ zu dem Objekt O in dem optischen System 30 innerhalb eines vorbestimmten Variationsbereiches S (siehe 2) ändern. Ein derartiger brennweitenveränderlicher Bereich S wird beispielsweise auf Grundlage der Verstärkung, mit der das Objekt mittels der Objektivlinse 42 beobachtet wird, und der Größe des optischen Systems 30 bestimmt. Die brennweitenveränderliche Linse 45 kann bei Empfang von periodischen sinuswellenartigen Steuer- bzw. Regelsignalen von der Linsensteuerung bzw. Regelung 48 die Brennweite im selben Zyklus wie die empfangenen Steuer- bzw. Regelsignale, also beispielsweise mit einer Frequenz von einigen 100 kHz, ändern. Die Oberfläche des Objektes O ist etwa um das Zentrum P des brennweitenveränderlichen Bereiches S ausgerichtet.

Der Bildprozessor 31 ist beispielsweise an dem Computer 11 montiert. Der Bildprozessor 31 erstellt ein vollfokussiertes Bild des Objektes O beispielsweise durch Verarbeiten der Bilddaten des Objektes O, die von der Kamera 47 bezogen worden sind, während die Brennweite mit der brennweitenveränderlichen Linse 45 geändert wird. Der Prozess des Erstellens eines derartigen vollfokussierten Bildes wird nachstehend noch beschrieben.

Die optische Systemsteuerung bzw. Regelung 32 ist beispielsweise an dem Computer 11 montiert. Die optische Systemsteuerung bzw. Regelung 32 steuert bzw. regelt die Lichtquelle 40 und die Linsensteuerung bzw. Regelung 48.

Die Sensorvorrichtung 21 ist an der Messmaschine 10 montiert. Die Sensorvorrichtung 21 beinhaltet beispielsweise eine Laserlichtquelle 60, Strahlteiler 61, 62 und 63 und Fotodioden 64 und 65. Der Strahlteiler 61 ist zwischen der Abbildungslinse 43 und der Kollimatorlinse 44 in dem optischen System 30 angeordnet. Der Strahlteiler 62 ist zwischen der Laserlichtquelle 60 und dem Strahlteiler 61 angeordnet. Der Strahlteiler 63 ist zwischen dem Strahlteiler 62 und den Fotodioden 64 und 65 angeordnet. Das von der Laserlichtquelle 60 ausgegebene Laserlicht wird an dem Strahlteiler 61 reflektiert, gelangt durch die Abbildungslinse 43 und die Objektivlinse 42 und tritt in die Oberfläche des Objektes O ein. Das Laserlicht wird sodann an der Oberfläche des Objektes O reflektiert, gelangt durch die Objektivlinse 42, die Abbildungslinse 43 und die Strahlteiler 61, 62 und 63 und wird sodann in jede der Fotodioden 64 und 65 eingeleitet.

Die Fotodiode 64 ist derart angeordnet, dass die Intensität (Signalspannung) eines Eingabesignals des Laserlichtes einen Maximalwert aufweist (siehe 3), wenn die Oberflächenhöhe des Objektes O in der in 2 gezeigten Position α ist (das heißt, wenn sich die Oberflächenhöhe um einen Abstand α vom Zentrum P des brennweitenveränderlichen Bereiches S nach oben bewegt). Die Fotodiode 65 ist indes derart angeordnet, dass die Intensität (Signalspannung) eines Eingabesignals des Laserlichtes einen Maximalwert aufweist (siehe 3), wenn die Oberflächenhöhe des Objektes O in der in 2 gezeigten Position β ist (das heißt, wenn sich die Oberflächenhöhe um einen Abstand β vom Zentrum P des brennweitenveränderlichen Bereiches S nach unten bewegt). Bei einer derartigen Anordnung kann die Sensorvorrichtung 21 die variierende Oberflächenhöhe des Objektes O in Richtung des Fokus L (das heißt in Vertikalrichtung in 2) infolge einer Wellung oder Erhebung des Objektes O durch Überwachen von Signalen des in die Fotodioden 64 und 65 eingeleiteten Laserlichtes detektieren. Die Positionsinformation über das Objekt O, die an den Fotodioden 64 und 65 bezogen wird, wird beispielsweise an eine in 2 gezeigte und später noch beschriebene Positionssteuerung bzw. Regelung 71 ausgegeben. Eine derartige Positionssteuerung bzw. Regelung 71 kann zudem die Laserlichtquelle 60 steuern bzw. regeln. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die jeweiligen Werte von α, β und S beispielsweise derart gewählt, dass sie α = β < S/2 genügen.

Die Positionsanpassungsvorrichtung 22 beinhaltet beispielsweise eine Bewegungsvorrichtung 70 und die Positionssteuerung bzw. Regelung 71, wie in 2 gezeigt ist. Die Bewegungsvorrichtung 70 ist beispielsweise an der Messmaschine 10 montiert. Die Bewegungsvorrichtung 70 bewegt beispielsweise das optische System 30 als Ganzes in Richtung des Fokus L. Die Bewegungsvorrichtung 70 setzt sich beispielsweise aus einem Gleiter 80, der ein Gehäuse für das optische System 30 hält, einer Kugelschraube 81, die sich dreht, um den Gleiter 80 in Richtung des Fokus L zu bewegen, und einem Motor 82, der die Kugelschraube 81 in Drehung versetzt, zusammen. Bei dieser Ausgestaltung kann die Bewegungsvorrichtung 70 das optische System 30 derart bewegen, dass die Position des Objektes O in Richtung des Fokus L entsprechend bewegt werden kann.

Die Positionssteuerung bzw. Regelung 71 ist an dem Computer 11 montiert. Detektiert die die variierende Oberflächenhöhe des Objektes O überwachende Sensorvorrichtung 21, dass sich die Oberflächenhöhe des Objektes O um einen Abstand α oder β, was eine Schwelle darstellt, vom Zentrum P des brennweitenveränderlichen Bereiches S bewegt hat, so wird die Bewegungsvorrichtung 70 derart aktiviert, dass die Position des Objektes O in Richtung des Fokus L derart angepasst wird, dass die Oberflächenhöhe des Objektes O zum Zentrum P des brennweitenveränderlichen Bereiches S zurückkehrt.

Wie in 1 dargestellt ist, beinhaltet die Messmaschine 10 beispielsweise einen X-Y-Schlitten (Horizontalbewegungsvorrichtung) 100, an dem das Objekt O platziert ist und der das Objekt O in X-Y-Richtung (Horizontalrichtung) bewegt, und einen Joystick 101 zum manuellen Bewegen des Objektes O in X-Y-Richtung oder zum Anpassen der Position des optischen Systems 30 in Z-Richtung. Der X-Y-Schlitten 100 kann mit einer Hebevorrichtung zum Aufwärts- und Abwärtsbewegen des Objektes O ausgestattet sein.

Der Computer 11 kann eine Vielzahl von Steuerungen bzw. Regelungen implementieren, indem verschiedene in einer Speichereinheit gespeicherte Programme mit der CPU ausgeführt werden. Der Computer 11 steuert bzw. regelt den Betrieb der Bilderstellungsvorrichtung 20, der Sensorvorrichtung 21 und der Positionsanpassungsvorrichtung 22. Der Computer 11 beinhaltet wenigstens den vorbeschriebenen Bildprozessor 31, die optische Systemsteuerung bzw. Regelung 32 und die Positionssteuerung bzw. Regelung 71. Der Computer 11 ist beispielsweise mit einer Anzeige 110, einer Tastatur 111 und einer Maus 112 versehen.

Abbildungsverfahren

Ein Beispiel für den Abbildungsprozess, der unter Verwendung des vorbeschriebenen Abbildungssystems 1 durchgeführt wird, wird nunmehr beschrieben.

Zunächst sendet das optische System 30 Licht von der Lichtquelle 40 zu dem Objekt O aus. Hierbei wird mithilfe der brennweitenveränderlichen Linse 45 die Brennweite zu dem Objekt O sinuswellenförmig mit einer Frequenz von einigen 10 kHz geändert, was einige 100 bis 1000 mal größer als die Framerate der Kamera 47 ist, wie in 4 dargestellt ist. Derartige sinuswellenförmige Variationen der Brennweite treten in dem brennweitenveränderlichen Bereich S auf. Während der Belichtung bezieht die Kamera 47 kontinuierlich Bildinformation des Objektes O, bei der die Brennweite variiert (das heißt, bei der sich die Fokalposition bewegt). Die bezogene Bildinformation wird an den Bildprozessor 31 ausgegeben, der wiederum eine Abfolge von Bildinformationen des Objektes O integriert, die während einer spezifizierten Zeitspanne (beispielsweise der Framebelichtungszeit T) für ein einzelnes Bild bezogen worden ist, um hierdurch ein integrales Bild zu erzeugen. Das auf diese Weise bezogene integrale Bild ist ein unscharfes Bild, das jede Information beinhaltet, die während der Belichtung im Fokusbereich (brennweitenveränderlicher Bereich) S bezogen wird. Ein vollfokussiertes Bild des Objektes O wird durch Entfernen von unerwarteten Bildinformationen aus dem integralen Bild erstellt. Durchgeführt werden kann ein derartiges Entfernen von unerwünschter Bildinformation aus dem integralen Bild beispielsweise durch Bearbeiten des integralen Bildes mittels Berechnungen oder unter Verwendung eines optischen Filters derart, dass das Licht, das zum Beziehen des integralen Bildes eingesetzt wird, vorab gefiltert wird.

Wird beispielsweise eine unerwünschte Bildinformation aus dem integralen Bild mittels Bildbearbeitung entfernt, so wird das integrale Bild beispielsweise unter Verwendung einer vorbestimmten Punktspreizfunktion (point spread function PSF) entsprechend dem Fokusbereich S des integralen Bildes entfaltet. Die Punktspreizfunktion (PSF) kennzeichnet einen Unschärfekreis (blur circle), das heißt ein kreisförmiges Bild einer Punktlichtquelle in einem gegebenen Abstand von einem Abbildungssystem als Funktion eines Radius r des Unschärfekreises und der Fokusposition FP. Eine Punktspreizfunktion kann experimentell für ein Abbildungssystem (beispielsweise das Abbildungssystem 1) bestimmt werden oder kann unter Verwendung von Punktspreizfunktionen geschätzt werden, die auf Funktionen, so beispielsweise einer pillenboxartigen (pill box) oder Gauß'schen-Kurve, oder unter Verwendung von grundlegenden Brechungsprinzipien, beispielsweise aus der Fourieroptik, entsprechend bekannten Verfahren modelliert werden. Derartige Punktspreizfunktionen können in verschiedenen Fokusabständen innerhalb des Fokusbereiches S entsprechend ihren erwarteten Belichtungsbeiträgen oder ihrer Anwendbarkeit gewichtet werden. Bewegt sich beispielsweise der Fokusabstand während einer Belichtung, so trägt jeder Fokusabstand zu einer Bildbelichtung für eine entsprechende Zeitspanne innerhalb jener Belichtung bei, und es kann eine Punktspreizfunktion, die jenem Abstand entspricht, entsprechend gewichtet werden. Derartige gewichtete Beiträge einer Punktspreizfunktion können über einen erwarteten Fokusbereich S summiert oder integriert werden. Alternativ können, wenn die Fokusabstandsänderung eine bekannte Funktion der Zeit ist, derartige Beiträge der Punktspreizfunktion über eine Zeitspanne integriert werden, die einem Sweep bzw. Durchlauf des erwarteten Fokusbereiches S entspricht, was analog zu dem Lösungsansatz ist, der nachstehend anhand 2 vorgestellt wird.

Für ein Abbildungssystem mit einer modulierten Fokusposition wird die integrierte Punktspreizfunktion h folgendermaßen ausgedrückt. h = fT0P(FP(t))dtGleichung 1

Hierbei ist P(FP(t)) eine Punktspreizfunktion, und FP(t) ist eine zeitabhängige Fokusposition. Eine Fokusposition in dem Abbildungssystem 1 kann als Funktion der Zeit t über die gesamte Integrationszeit T moduliert werden, was der Zeit der Bildbelichtung oder der Integration des integralen Bildes entspricht.

Das Entfalten (deconvolution) des integralen Bildes kann als inverser Vorgang verstanden werden, der eine eine hohe Feldtiefe aufweisendes Bild entfaltet, das über einen Bereich von Fokuspositionen mit jeweiligen Belichtungsdauern ausgehend von einer integrierten Punktspreizfunktion h, die bei einigen Anwendungen auch als „Unschärfefunktion” bezeichnet wird, belichtet wird. Das integrale Bild kann als zweidimensionale Funktion g(x, y) dargestellt werden, die auf folgende Weise eine Faltung eines vollfokussierten Bildes f(x, y) (entsprechend einem Bildarray mit den Dimensionen m mal n) mit der integrierten Punktspreizfunktion h ist. g(x, y) = f·h = ΣmΣnf(m, n)h(x – m, y – n)Gleichung 2

In der Frequenzdomäne kann diese Faltung durch das Produkt von F und H dargestellt werden, die die Fouriertransformierten von f beziehungsweise h sind: G = F·HGleichung 3

Die Fouriertransformierten von f und h können effizient unter Verwendung eines FFT-Algorithmus (schnelle Fouriertransformation FFT) bestimmt werden. Das vollfokussierte Bild (in der Frequenzdomäne) kann durch Bearbeiten des Bildes G (beispielsweise durch Multiplizieren desselben) mit einer Inversen von H, die hier als Hr bezeichnet wird, bestimmt werden. Die Inverse Hr kann mittels verschiedener Verfahren berechnet werden. Eine einfache Pseudoinverse von H kann beispielsweise durch die nachfolgende Gleichung bestimmt werden:

Hierbei ist H* die komplex Konjugierte von H, und k ist eine relle Zahl, die empirisch auf Grundlage von Eigenschaften des Abbildungssystems 1 gewählt wird. Bei einer exemplarischen Ausführungsform ist k gleich 0,0001. Schließlich kann das vollfokussierte Bild f folgendermaßen berechnet werden.

Eine robustere Alternative zur Pseudoinversen kann entsprechend einer Wiener-Entfaltung oder einem iterativen Lucy-Richardson-Algorithmus berechnet werden. Beschrieben wird dies bei „Digital Image Processsing” von Kenneth R. Castleman (Prentice-Hall Inc., 1996). Entsprechend kann eine Bearbeitung des Bildes ein blockbasiertes Entrauschen (denoising) beinhalten.

Als Nächstes wird das Entfernen von unerwünschter Bildinformation aus dem integralen Bild unter Verwendung eines optischen Filters beschrieben. In diesem Fall wird, wie in 5 gezeigt ist, eine Entfaltung optisch entsprechend den grundlegenden Verfahren der Foureroptik unter Verwendung eines passiven optischen Filters 120 durchgeführt, der in einer Fourierebene des Abbildungssystems der vollfokussierten Bilder derart platziert wird, dass ein vergleichsweise klares vollfokussiertes Bild in Echtzeit bereitgestellt werden kann.

Man beachte, dass das Verfahren zum Entfernen von unerwünschter Bildinformation aus dem integralen Bild nicht auf die vorstehend beschriebenen Verfahren beschränkt ist, sondern ein beliebiges bekanntes Verfahren eingesetzt werden kann.

Ein einzelnes vollfokussiertes Bild wird aus dem integralen Bild auf vorstehend beschriebene Weise erzeugt, und es kann ein vollfokussiertes Bild, das das Objekt 0 als Ganzes abdeckt, durch kontinuierliches Durchführen des vorbeschriebenen Vorgangs, während beispielsweise das Objekt O mit dem X-Y-Schlitten 100 horizontal bewegt wird, erzeugt werden.

Wie vorstehend beschrieben worden ist, wirkt während der Zeit, in der Licht von der Lichtquelle 40 zu dem Objekt O ausgesendet wird und die Kamera 47 Bildinformation von dem von dem Objekt O reflektierten Licht bezieht, die Sensorvorrichtung 21 dahingehend, dass sie Laserlicht von der Laserlichtquelle 60 emittiert. Das Laserlicht wird auf die Oberfläche des Objektes O ausgestrahlt, und es wird das reflektierte Licht hiervon in die Fotodioden 64 und 65 eingeleitet. Die Eingabesignale in die Fotodioden 64 und 65 werden sodann an die Positionssteuerung bzw. Regelung 71 der Positionsanpassungsvorrichtung 22 ausgegeben und von dieser überwacht. Das Objekt O bewegt sich beispielsweise in Horizontalrichtung, wobei dann, wenn infolge einer großen Wellung oder Erhebung an der Oberfläche des Objektes O die Intensität des von der Fotodiode 64 detektierten Lichtes ein Maximum erreicht, das heißt, wenn die Oberflächenhöhe des Objektes O in einem Abstand α vom Zentrum P des brennweitenveränderlichen Bereiches S ist, oder wenn die Intensität von durch die Fotodiode 65 detektiertem Licht ein Maximum erreicht, das heißt, wenn die Oberflächenhöhe des Objektes O in einem Abstand β vom Zentrum P des brennweitenveränderlichen Bereiches S ist, eine Hilfsfunktion zum Anpassen der Position des Objektes O in der Fokusrichtung L ihr Wirken aufnimmt.

Insbesondere wirkt, wie in 6 gezeigt ist, wenn die Oberflächenhöhe des Objektes O in einem Abstand α vom Zentrum P ist, die Bewegungsvorrichtung 70 dahingehend, dass das optische System 30 derart weg von dem Objekt O bewegt wird, dass die Position des Objektes O in Fokusrichtung L auf eine Weise angepasst wird, dass die Oberflächenhöhe des Objektes O entsprechend näher an das Zentrum P des brennweitenveränderlichen Bereiches S heranrückt. Das optische System 30 wird beispielsweise um α (das heißt ΔZ) derart nach oben bewegt, dass die Oberflächenhöhe des Objektes O mit dem Zentrum P des brennweitenveränderlichen Bereiches S zusammenfällt.

Ist die Oberflächenhöhe des Objektes O demgegenüber in einem Abstand β vom Zentrum P befindlich, so wirkt die Bewegungsvorrichtung 70 dahingehend, dass das optische System 30 näher an das Objekt O bewegt wird, sodass die Position des Objektes O in der Fokusrichtung L auf eine Weise angepasst wird, dass die Oberflächenhöhe des Objektes O entsprechend näher an das Zentrum P des brennweitenveränderlichen Bereiches S heranrückt. Das optische System 30 wird beispielsweise um β (das heißt ΔZ) derart nach unten bewegt, dass die Oberflächenhöhe des Objektes O mit dem Zentrum P des brennweitenveränderlichen Bereiches S zusammenfällt. Nach Beendigung der Positionsanpassung des Objektes O stellt die Hilfsfunktion zum Anpassen der Position des Objektes O in der Fokalrichtung L ihr Wirken ein.

Die Kamera 47 setzt das Beziehen von Bildinformation fort, wobei immer dann, wenn sich die Oberflächenhöhe des Objektes O um einen Abstand α oder β vom Zentrum P des brennweitenveränderlichen Bereiches S bewegt, die Hilfsfunktion ihr Wirken aufnimmt und die Position des Objektes O in der Fokusrichtung L von der Positionsanpassungsvorrichtung 22 angepasst wird. Die Positionsanpassung des Objektes O in der Fokusrichtung L wird nicht durchgeführt, solange keine großen Wellungen oder Erhebungen an der Oberfläche des Objektes O vorhanden sind und die Oberflächenhöhe des Objektes O entsprechend innerhalb eines Abstandes α oder β vom Zentrum P ist. Wie vorstehend beschrieben worden ist, wird die Position des Objektes O in der Fokusrichtung L auf eine Weise angepasst, dass die Oberflächenhöhe des Objektes O stets in den brennweitenveränderlichen Bereich S fällt.

Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform wird in Reaktion auf von der Sensorvorrichtung 21 detektierte Variationen der Oberflächenhöhe des Objektes O in der Fokusrichtung L die Position des Objektes O in der Fokusrichtung L von der Positionsanpassungsvorrichtung 22 derart angepasst, dass die Oberflächenhöhe des Objektes O näher an das Zentrum P des brennweitenveränderlichen Bereiches S heranrückt und entsprechend die Oberfläche des Objektes O sogar dann stets innerhalb des brennweitenveränderlichen Bereiches S platziert ist, wenn die Oberfläche des Objektes O Wellungen oder Erhebungen jenseits des brennweitenveränderlichen Bereiches S beinhaltet. Im Ergebnis kann dem Auftreten einer Unschärfe in vollfokussierten Bildern entgegengewirkt werden. Mit anderen Worten, die Abbildung eines Objektes kann innerhalb kurzer Zeit unter Verwendung des Abbildungssystems 1 von nicht scannenden Typ verwirklicht werden, und es kann gleichzeitig einer Unschärfe in dem sich ergebenden Bild als Ergebnis einer geeigneten Reaktion auf Variationen der Oberflächenhöhe des Objektes O entgegengewirkt werden. Zusätzlich ist der Genauigkeitsgrad, das bei einer derartigen Positionsanpassung seitens der Positionsanpassungsvorrichtung 22 erforderlich ist, nicht derart hoch, da es bei einer derartigen Positionsanpassung nötig ist, die Oberflächenhöhe des Objektes O innerhalb des brennweitenveränderlichen Bereiches S genau zu platzieren, was zu einer Kostenverringerung bei dem Abbildungssystem 1 führen kann.

Da die Positionsanpassungsvorrichtung 22 die Position des Objektes O in der Fokusrichtung L anpasst, wenn die Sensorvorrichtung 21 detektiert, dass sich die Oberflächenhöhe des Objektes O um eine vorbestimmte Schwelle, das heißt um einen Abstand α oder β, bewegt hat, kann die Einsatzhäufigkeit der Positionsanpassungsvorrichtung 22 verringert werden, was zu einer verringerten Belastung für die Positionsanpassungsvorrichtung 22 führt.

Da die vorbestimmten Schwellen α und β als Abstände in entgegengesetzten Richtungen weg vom Zentrum P des brennweitenveränderlichen Bereiches S gewählt sind, kann auf Variationen der Oberflächenhöhe des Objektes O geeignet unabhängig davon reagiert werden, ob sich die Oberflächenhöhe nach oben oder nach unten bewegt hat.

Da die Positionsanpassungsvorrichtung 22 die Position des Objektes O in der Fokusrichtung L derart anpasst, dass die Oberflächenhöhe des Objektes O mit dem Zentrum P des brennweitenveränderlichen Bereiches S zusammenfällt, kann die Frequenz der Oberflächenhöhe des Objektes O bei Erreichen der Schwelle minimiert werden.

Die Sensorvorrichtung 21 verfügt über die Laserlichtquelle 60 zum Ausstrahlen eines Laserlichtes zu dem Objekt O und die Fotodioden 64 und 65 zum Empfangen des von dem Objekt O reflektierten Laserlichtes, wobei bei dieser Ausgestaltung die Sensorvorrichtung 21 Variationen der Oberflächenhöhe des Objektes O auf geeignete Weise detektieren kann.

Die Positionsanpassungsvorrichtung 22 verfügt über die Bewegungsvorrichtung 70 zum Bewegen der Position des Objektes O in der Fokusrichtung L und die Positionssteuerung bzw. Regelung 71 zum Steuern bzw. Regeln der Bewegungsvorrichtung 70 zur Anpassung der Position des Objektes O in der Fokusrichtung L, wobei bei dieser Ausgestaltung die Positionsanpassungsvorrichtung 22 die Positionsanpassung des Objektes O in der Fokusrichtung L auf geeignete Weise implementieren kann.

Es sind bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der begleitenden Zeichnung beschrieben worden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt. Ein Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet kann ohne Weiteres verschiedene Abwandlungen und Änderungen konzipieren, ohne vom Wesen, das für den Umfang der Ansprüche spezifisch ist, abzuweichen, wobei einsichtig sein sollte, dass derartige Abwandlungen und Änderungen offensichtlich im technischen Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten sind.

Die vorbeschriebene Ausführungsform beschreibt beispielsweise ein Beispiel, bei dem die Abstände α und β, die in den brennweitenveränderlichen Bereich S fallen, als Schwellen für die variierende Oberflächenhöhe des Objektes O gewählt sind. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Die Grenzwerte (obere und untere Grenzen) des brennweitenveränderlichen Bereiches S können ebenfalls als Schwellen gewählt werden, oder es kann ein Abstand aus dem brennweitenveränderlichen Bereich S als Schwelle gewählt werden. Des Weiteren kann auch nur ein Wert von α und β als Schwelle gewählt werden. Die Werte der Schwellen α und β können gleich oder verschieden sein. Zusätzlich kann die Positionsanpassung des Objektes O in der Fokusrichtung L auf Bedarfsbasis ohne Einstellen von Schwellen durchgeführt werden.

Die Position des Objektes O in der Fokusrichtung L muss nicht notwendigerweise durch einen Abstand, der den Schwellen α und β entspricht, angepasst werden. Vielmehr kann die Position auch durch einen Abstand angepasst werden, der kleiner als die Schwellen α und β ist. Darüber hinaus kann, obwohl die Position des Objektes O in der Fokusrichtung L durch Bewegen des optischen Systems 30 mit der Bewegungsvorrichtung 70 bei der vorbeschriebenen Ausführungsform angepasst wird, die Anpassung auch durch Bewegen des Objektes O oder durch Bewegen sowohl des optischen Systems 30 wie auch des Objektes O durchgeführt werden.

Die Ausgestaltung des Abbildungssystems 1, das heißt die jeweiligen Ausgestaltungen der Bilderstellungsvorrichtung 20, der Sensorvorrichtung 21, der Positionsanpassungsvorrichtung 22 und dergleichen mehr, sind bei der vorliegenden Ausführungsform nicht auf das Vorbeschriebene beschränkt, sondern es können auch andere Ausgestaltungen zum Einsatz kommen. Die Ausgestaltungen der Messmaschine 10, des Computers 11 und dergleichen sind ebenfalls nicht auf das Vorbeschriebene beschränkt.

Die vorliegende Erfindung ist dabei von Nutzen, innerhalb kurzer Zeit ein Objekt unter Verwendung eines Abbildungssystems von nicht scannenden Typ abzubilden, und gleichzeitig geeignet, auf Wellungen oder Erhebungen an der Oberfläche des Objektes zu reagieren, um einer Unschärfe in dem sich ergebenden Bild entgegenzuwirken.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird das Abbilden eines Objektes innerhalb kurzer Zeit unter Verwendung eines Abbildungssystems vom nicht scannenden Typ erreicht, und es wird dabei einer Unschärfe entgegengewirkt, die ansonsten infolge von Wellungen oder Erhebungen an der Oberfläche des Objektes in dem sich ergebenden Bild beinhaltet wäre.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • JP 2016-074566 [0001]
  • JP 2015-104136 A [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • „Digital Image Processsing” von Kenneth R. Castleman (Prentice-Hall Inc., 1996) [0038]