DE10220177A1 - Device for measuring object, especially for displaying 3D images of objects, has phase shifter that adjusts phase difference between modulations of radiation source and of object representation - Google Patents
Device for measuring object, especially for displaying 3D images of objects, has phase shifter that adjusts phase difference between modulations of radiation source and of object representationInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung eines Objekts und insbesondere zur Erstellung von dreidimensionalen Bildern bzw. Darstellungen des Objekts, welche neben dem üblichen zweidimensionalen Bild des Objekts, das laterale Ausdehnungen von Komponenten des Objekts angibt, auch relative oder absolute Abstände von Komponenten des Objekts zu einem Bezugspunkt angibt. The present invention relates to a device and a Method for measuring an object and in particular for Creation of three-dimensional images or representations of the object, which in addition to the usual two-dimensional image of the object, the lateral dimensions of components of the Object also specifies relative or absolute distances from Specifies components of the object to a reference point.
Bekannte derartige Verfahren umfassen beispielsweise photogrammetrische Verfahren, bei denen aus wenigstens zwei verschiedenen Perspektiven Bilder des Objekts gewonnen werden und aus Unterschieden zwischen den beiden Bildern auf die räumliche Struktur des Objekts geschlossen wird. Weiter sind Verfahren der Streifenprojektion bekannt, bei welchen das Objekt mit einem Streifenmuster beleuchtet wird und wenigstens eine Aufnahme des beleuchteten Objekts mit einer Kamera gewonnen wird. Aus dem Verlauf der Beleuchtungsstreifen in dem Kamerabild wird auf die dreidimensionale Gestalt des Objekts geschlossen. Known such methods include, for example photogrammetric methods in which at least two images of the object can be obtained from different perspectives and from differences between the two pictures on the spatial structure of the object is closed. Are further Strip projection method known in which the Object is illuminated with a stripe pattern and at least one picture of the illuminated object with a camera is won. From the course of the lighting strips in the camera image is based on the three-dimensional shape of the Object closed.
Ferner sind Verfahren der Triangulation bekannt, bei denen das Objekt beispielsweise mit einem Lichtstrahl abgetastet wird und eine Kamera einen entsprechenden Lichtpunkt auf dem Objekt registriert. Aus der Lage des Lichtpunkts im Kamerabild und Kenntnis der Richtung des Lichtstrahls kann nach systematischem Abtasten des Objekts mit dem Lichtstrahl die dreidimensionale Struktur des Objekts rekonstruiert werden. Methods of triangulation are also known, in which the object is scanned with a light beam, for example is and a camera a corresponding point of light on the Object registered. From the position of the light point in the Camera image and knowledge of the direction of the light beam can be used systematic scanning of the object with the light beam three-dimensional structure of the object can be reconstructed.
Aus der US 6,100,517 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, bei dem ein Objekt zu seiner Vermessung mit intensitätsmoduliertem Licht beleuchtet wird und Bilder des Objekts mit einer Kamera aufgenommen werden. Zwischen dem Objekt und der Kamera ist ein Lichtmodulator angeordnet, dessen Lichtdurchlässigkeit synchron mit der Intensität der Strahlungsquelle moduliert wird. Aufgrund von Laufzeitunterschieden, die für verschiedene Orte des Objekts im Lichtweg zwischen Quelle, dem jeweiligen Ort des Objekts und dem Detektor entstehen, entstehen auch in dem von der Kamera aufgenommenen Bild für verschiedene Orte des Objekts Intensitätsunterschiede. Die für verschiedene Orte des Objekts gemessenen Intensitäten repräsentieren damit Abstände zwischen beispielsweise den verschiedenen Orten und der Kamera bzw. der Strahlungsquelle. An apparatus and a method is known from US Pat. No. 6,100,517 known, in which an object for its measurement with intensity-modulated light is illuminated and images of the The subject with a camera. Between the Object and the camera is arranged a light modulator, the Translucency in sync with the intensity of the Radiation source is modulated. Owing to Runtime differences for different locations of the object in the light path between source, the respective location of the object and the Detector arise, also arise in the camera captured image for different locations of the object Intensity differences. The for different locations of the object measured intensities thus represent distances between for example the different places and the Camera or the radiation source.
Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die von der Kamera registrierte Intensität an einem Ort des Objekts grundsätzlich auch von dessen Farbe, Textur oder Orientierung zur Kamera abhängig ist. Das herkömmliche Verfahren erlaubt es nicht, befriedigend abklären zu können, ob ein von der Kamera registrierter Intensitätsunterschied zwischen zwei Orten des Objekts auf einen unterschiedlichen Abstand der beiden Punkte beispielsweise von der Kamera oder auf unterschiedliche Helligkeiten der Orte des Objekts selbst zurückzuführen ist. However, it must be taken into account here that the Camera registered intensity at a location of the object basically also of its color, texture or orientation depends on the camera. The conventional method allows it is not satisfactory to be able to clarify whether one of the Difference in intensity registered between two cameras Locating the object at a different distance from the both points, for example from the camera or on different brightnesses of the locations of the object itself is due.
Entsprechend ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung eines Objekts vorzuschlagen, bei dem relative Abstände zwischen verschiedenen Orten des Objekts mit erhöhter Genauigkeit bestimmbar sind. Accordingly, an object of the present invention is an apparatus and a method for measuring a Propose object with relative distances between different locations of the object with increased accuracy are determinable.
Die Erfindung geht hierzu aus von einer Vorrichtung zur Vermessung eines Objekts mit einem Frequenzgenerator zur Bereitstellung einer vorbestimmten Frequenz, einer mit der Frequenz intensitätsmodulierten Strahlungsquelle zur Beleuchtung des Objekts, und einer Abbildungsoptik, um in einer Bildebene der Abbildungsoptik ein Bild des Objekts zu erzeugen. The invention is based on a device for Measuring an object with a frequency generator Providing a predetermined frequency, one with the frequency intensity-modulated radiation source for illuminating the Object, and an imaging optics to in an image plane of Imaging optics to generate an image of the object.
Der Begriff "intensitätsmodulierte Strahlungsquelle" soll hier jegliche Vorrichtung erfassen, welche dazu führt, dass das Objekt mit Licht von modulierter Intensität beleuchtet wird. Dies kann beispielsweise durch eine Laserdiode erfolgen, deren Erregung zeitlich moduliert ist, es kann dies allerdings auch eine Laserdiode sein, welche zeitlich konstant erregt wird, der allerdings ein mit der Frequenz angesteuerter Lichtmodulator vorgeschaltet ist, wie beispielsweise ein schaltbarer Verschluß, so dass die Laserdiode und der Verschluß zusammen als intensitätsmodulierte Strahlungsquelle wirken. The term "intensity-modulated radiation source" is intended here detect any device that leads to the fact that illuminates the object with light of modulated intensity becomes. This can be done, for example, with a laser diode occur, the excitation is modulated in time, it can however, also be a laser diode, which is temporal is constantly excited, but one with the frequency controlled light modulator is connected upstream for example a switchable shutter, so that the laser diode and the shutter together as intensity modulated Radiation source act.
Die Abbildungsoptik bildet das Objekt optisch derartig ab, dass in einer Bildebene der Abbildungsoptik ein im wesentlichen scharfes Bild des Objekt entsteht. Diese Abbildung erfolgt zum einen mit dem Licht, das von der intensitätsmodulierten Strahlungsquelle auf das Objekt gestrahlt und von diesem zurückgeworfen wird. Zum anderen erfolgt die Abbildung mit weiterem Licht, das von dem Objekt ausgeht, beispielsweise aufgrund der Bestrahlung des Objekts mit Umgebungslicht. The imaging optics depict the object optically in such a way that in an image plane of the imaging optics an im essential sharp image of the object emerges. This illustration takes place on the one hand with the light emitted by the intensity-modulated radiation source radiated onto the object and from this is thrown back. On the other hand, the mapping takes place with more light emanating from the object for example due to the irradiation of the object Ambient light.
Es ist ferner ein Integrator vorgesehen, um eine aus dem Bild erzeugte Darstellung des Objekts zeitlich zu integrieren und eine entsprechende integrierte Darstellung des Objekts auszugeben. Der Integrator integriert damit ortsabhängig die Darstellung des Objekts, welche Lichtintensitäten repräsentiert, wie sie ortsabhängig von dem Objekt zur Abbildungsoptik hin abgestrahlt werden. Die Darstellung des Objekts kann direkt oder indirekt aus dem Bild des Objekts erzeugt werden. Beispielsweise kann die Darstellung ein elektrisches Ladungsmuster umfassen, welches auf einer lichtempfindlichen Fläche einer Kamera erzeugt wird, wenn diese lichtempfindliche Fläche nahe der Bildebene der Abbildungsoptik angeordnet ist. An integrator is also provided to match one out of the picture integrate the generated representation of the object in time and a corresponding integrated representation of the object issue. The integrator thus integrates the Representation of the object, which represents light intensities, how it depends on the location from the object to the imaging optics be emitted. The representation of the object can be direct or generated indirectly from the image of the object. For example, the representation can be electrical Charge patterns include, which on a photosensitive surface a camera is generated if it is light sensitive Surface is arranged near the image plane of the imaging optics.
Die Vorrichtung umfasst ferner noch einen Modulator, der funktionell zwischen dem Objekt und dem Integrator vorgesehen ist, um die von dem Integrator integrierte Darstellung des Objekts vor deren Integration mit der von dem Frequenzgenerator bereitgestellten Frequenz hinsichtlich der Intensität zu modulieren. Hierdurch wird erreicht, dass die Darstellung des Objekts zeitlich zum einen moduliert ist durch die Intensitätsmodulation der Strahlungsquelle, wodurch auch das von dem Objekt zur Abbildungsoptik hin zurückgeworfene Licht intensitätsmoduliert ist, und zum anderen wird die Darstellung des Objekts direkt durch den zwischen dem Objekt und dem Integrator vorgesehenen Modulator moduliert. Diese beiden Modulationen erfolgen mit der gleichen, von dem Frequenzgenerator bereitgestellten Frequenz. The device also includes a modulator that provided functionally between the object and the integrator is to the representation of the integrated by the integrator Object before their integration with that of the Frequency generator provided frequency in terms of intensity to modulate. This ensures that the representation of the object is modulated by the time Intensity modulation of the radiation source, which also means that of light reflected by the object towards the imaging optics is intensity modulated, and on the other hand the Representation of the object directly by the between the object and the Integrator modulator provided. These two Modulations are done with the same from which Frequency generator provided frequency.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Phasenschieber vorgesehen ist, um eine Phasendifferenz zwischen der Modulation der Strahlungsquelle und der Modulation der Darstellung des Objekts einzustellen. Hiermit ist es möglich, die Zeitabhängigkeit der Intensität der Darstellung durch Einstellung der Phasendifferenz zu variieren, was zu unterschiedlichen integrierten Darstellungen des Objekts führt. Durch den Vergleich mehrerer, bei unterschiedlichen Einstellungen der Phasendifferenz ausgegebenen integrierten Darstellung ist es dann möglich, Informationen über die Struktur des Objekts zu gewinnen, welche Informationen insbesondere Informationen hinsichtlich der Abstände verschiedener Orte des Objekts von einem Bezugspunkt an beispielsweise der Strahlungsquelle der Abbildungsoptik beinhalten. The invention is characterized in that a Phase shifter is provided to detect a phase difference between the Modulation of the radiation source and the modulation of the Display of the object. With this it is possible the time dependence of the intensity of the display Setting the phase difference to vary what to different integrated representations of the object leads. By comparing several at different Settings of the phase difference output integrated It is then possible to display information about the structure of the Object to gain what information in particular Information regarding the distances between different locations of the Object from a reference point, for example the Include radiation source of the imaging optics.
Vorzugsweise ist die Modulation der Strahlungsquelle oder und die Modulation des Modulators der Darstellung des Objekts eine in etwa sinusförmige Modulation. Die Integrationsdauer des Integrators ist vorzugsweise größer als die Periode der Modulation. Der Integrator umfasst vorzugsweise eine Kamera, insbesondere eine CCD-Kamera oder jegliche andere Art von Kamera, welche Lichtintensitäten oder entsprechende elektronische Intensitäten während einer "Belichtungszeit" integriert und das Ergebnis der Integration beispielsweise als elektronische Analogdaten oder digitale Daten ausgibt. Preferably the modulation of the radiation source is or and modulation of the modulator of the representation of the object an approximately sinusoidal modulation. The integration period of the integrator is preferably greater than the period of the Modulation. The integrator preferably comprises a camera, especially a CCD camera or any other type of Camera what light intensities or equivalent electronic intensities during an "exposure time" integrated and the result of the integration for example as outputs electronic analog data or digital data.
Der Modulator zur Modulation der Darstellung des Objekts ist vorzugsweise zwischen der Bildebene und dem Integrator angeordnet und kann hierbei beispielsweise einen Bildverstärker mit änderbarer Verstärkung umfassen, wobei die Verstärkung des Bildverstärkers dann durch die von dem Frequenzgenerator bereitgestellte Frequenz moduliert ist. Insbesondere kann der Modulator eine Mikrokanalplatte umfassen, deren Verstärkung mit der Frequenz moduliert wird. Es kann jedoch auch eine Verstärkung der Kamera selbst direkt mit der Frequenz moduliert werden. The modulator for modulating the representation of the object is preferably between the image plane and the integrator arranged and can, for example, an image intensifier with changeable gain, the gain of the image intensifier then by that of the frequency generator provided frequency is modulated. In particular, the Modulator comprise a microchannel plate, its amplification is modulated with the frequency. However, it can also be a Amplification of the camera itself directly with the frequency be modulated.
Alternativ oder ergänzend hierzu ist es auch möglich, den Modulator funktionell zwischen dem Objekt und der Bildebene anzuordnen. Der Modulator ist dann vorzugsweise als ein Lichtdämpfer mit änderbarer Dämpfung ausgebildet, wobei die Dämpfung des Lichtdämpfers mit der von dem Frequenzgenerator bereitgestellten Frequenz moduliert wird. Hierbei ist der Modulator beispielsweise als ein schaltbarer Lichtverschluß ausgebildet, oder auch als ein Lichtverschluß, dessen Absorption kontinuierlich änderbar ist. Beispiele hierfür sind ein akusto-optischer Modulator oder eine Pockels-Zelle. Alternatively or in addition, it is also possible to use the Functional modulator between the object and the image plane to arrange. The modulator is then preferably a Light damper designed with changeable damping, the Attenuation of the light attenuator with that of the frequency generator provided frequency is modulated. Here is the Modulator, for example, as a switchable light shutter trained, or as a light shutter, the Absorption is continuously changeable. Examples of this are a acousto-optical modulator or a Pockels cell.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen: Embodiments of the invention are described below with reference to Drawings explained in more detail. Here show:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Untersuchung eines Objekts und Fig. 1 shows a first embodiment of an inventive device for examining an object and
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Untersuchung eines Objekts. Fig. 2 shows a second embodiment of an inventive device for examining an object.
In Fig. 1 ist ein Untersuchungssystem 1 zur Vermessung eines Objekts 3, dargestellt als der Umriß eines Hauses, schematisch dargestellt. Das Untersuchungssystem umfasst eine Lichtquelle 5 in Form eines Halbleiterlasers, dessen emittiertes Licht durch ein Projektionsobjektiv 7 zu einem Lichtbündel 9 geformt wird, um das Objekt 3 zu beleuchten. Zur Beleuchtung des Objekts 3 wird die Intensität des Lichtbündels 9 mit einer Frequenz f intensitätsmoduliert. Die Frequenz f, im vorliegenden Ausführungsbeispiel 200 MHz, wird durch einen Hochfrequenzgenerator 11 bereitgestellt, welcher einen Treiber 13 der Lichtquelle 5 derart ansteuert, dass dieser die Lichtquelle 5 so ansteuert, dass die emittierte Lichtintensität sinusförmig mit der Frequenz f intensitätsmoduliert ist. In Fig. 1, an examination system 1 for measuring an object 3 , shown as the outline of a house, is shown schematically. The examination system comprises a light source 5 in the form of a semiconductor laser, the emitted light of which is shaped by a projection objective 7 to form a light bundle 9 in order to illuminate the object 3 . To illuminate the object 3 , the intensity of the light beam 9 is intensity-modulated with a frequency f. The frequency f, in the present exemplary embodiment 200 MHz, is provided by a high-frequency generator 11 , which controls a driver 13 of the light source 5 in such a way that it drives the light source 5 in such a way that the emitted light intensity is sinusoidally modulated with the frequency f.
Das Untersuchungssystem 1 umfasst ferner ein schematisch dargestelltes Objektiv 15, welches das Objekt 3 in eine Bildebene 17 des Objektivs derart abbildet, dass in der Bildebene 17 ein im wesentlichen scharfes optisches Bild des Objekts 3 entsteht. In der Bildebene 17 des Objektivs 15 ist ein Bildverstärker 19 in Form einer Mikrokanalplatte ("Micro channel plate") derart angeordnet, dass eine Eingangsseite bzw. lichtempfindliche Fläche 21 des Bildverstärkers 19 in der Bildebene 17 des Objektivs 15 angeordnet ist. Das in der Bildebene 17 als Lichtintensitätsmuster entstehende Bild des Objekts 3 erzeugt in der lichtempfindlichen Fläche 21 des Bildverstärkers freie Elektronen, so dass deren Ladung ebenfalls als eine Darstellung des Objekts 3 betrachtet werden kann. Diese Elektronen werden in der Mikrokanalplatte 19 verstärkt und treffen auf eine Fluoreszenzschicht 23, welche an der der lichtempfindlichen Schicht 21 gegenüberliegenden Seite des Bildverstärkers 19 angeordnet ist, so dass das nach der Verstärkung in der Fluoreszenzschicht 23 entstehende Fluoreszenzbild ebenfalls eine Darstellung des Objekts 3 verkörpert. The examination system 1 further comprises a schematically illustrated objective 15 , which images the object 3 in an image plane 17 of the objective such that an essentially sharp optical image of the object 3 is created in the image plane 17 . In the image plane 17 of the lens 15, an image intensifier 19 in the form of a micro-channel plate ( "Micro channel plate") is arranged such that an input side and light-sensitive surface 21 is arranged of the image intensifier 19 in the image plane 17 of the objective 15 °. The image of the object 3 which arises in the image plane 17 as a light intensity pattern generates free electrons in the light-sensitive surface 21 of the image intensifier, so that their charge can also be viewed as a representation of the object 3 . These electrons are amplified in the microchannel plate 19 and hit a fluorescent layer 23 , which is arranged on the side of the image intensifier 19 opposite the light-sensitive layer 21 , so that the fluorescent image formed after the amplification in the fluorescent layer 23 also embodies a representation of the object 3 .
Ein Verstärkungsfaktor des Bildverstärkers 19 wird durch eine Hochspannung eingestellt, welche von einer Treiberschaltung 25 für die Mikrokanalplatte 19 ausgegeben wird. Der Treiberschaltung 25 wird ebenfalls die von dem Hochfrequenzgenerator ausgegebene Frequenz f zugeführt, so dass auch der Verstärkungsfaktor des Bildverstärkers 19 mit dieser Frequenz f moduliert ist. Allerdings ist zwischen dem Hochfrequenzgenerator 11 und der Treiberschaltung 25 eine Phasenschiebeschaltung 27 angeordnet, mit der eine Phasendifferenz Δφ zwischen der Modulation der Strahlungsquelle 5 und der Modulation des Bildverstärkers 19 durch einen Rechner 29 einstellbar ist. An amplification factor of the image intensifier 19 is set by a high voltage, which is output by a driver circuit 25 for the microchannel plate 19 . The driver circuit 25 is also supplied with the frequency f output by the high-frequency generator, so that the amplification factor of the image intensifier 19 is also modulated with this frequency f. However, a phase shift circuit 27 is arranged between the high-frequency generator 11 and the driver circuit 25 , with which a phase difference Δφ between the modulation of the radiation source 5 and the modulation of the image intensifier 19 can be set by a computer 29 .
Das in der Fluoreszenzschicht 23 des Bildverstärkers 19 entstehende Fluoreszenzbild des Objekts 3 wird durch eine Abbildungsoptik 31 auf eine lichtempfindliche Schicht 33 eines Kamerachips 35, in Form eines CCD-Chips abgebildet, so dass auch auf der lichtempfindlichen Schicht 33 des Kamerachips 35 eine Darstellung des Objekts 3 entsteht. Der Kamerachip 35 integriert diese in der Schicht 33 entstehende Darstellung während einer Integrationsdauer der Kamera und gibt sodann aus der Darstellung des Objekts 3 gewonnene integrierte Darstellungen des Objekts 3, d. h. Bilder des Objekts 3, an den Rechner 29 aus. Die Integrationsdauer der Kamera ist länger als eine Periode der Modulation der Strahlungsquelle 5 bzw. des Bildverstärkers 19. The fluorescence image of the object 3 that arises in the fluorescence layer 23 of the image intensifier 19 is imaged by an imaging optics 31 onto a light-sensitive layer 33 of a camera chip 35 , in the form of a CCD chip, so that the object is also represented on the light-sensitive layer 33 of the camera chip 35 3 arises. The camera chip 35 integrates this representation created in the layer 33 during an integration period of the camera and then outputs integrated representations of the object 3 , ie images of the object 3 , obtained from the representation of the object 3 to the computer 29 . The integration time of the camera is longer than one period of the modulation of the radiation source 5 or the image intensifier 19 .
Diese von der Kamera 35 ausgegebenen Bilder des Objekts 3 enthalten Information über verschiedene Orte des Objekts 3 sowohl hinsichtlich ihrer lateralen Ausdehnung bezüglich beispielsweise einer optischen Achse 16 des Objektivs 15 als auch hinsichtlich ihrer Anordnung in Richtung der optischen Achse 16. Die Auswertung der lateralen Anordnung von Orten des Objekts 3 kann auf herkömmliche Weise erfolgen, wie sie bei zweidimensionalen Bildern von Objekten üblich ist. Zur Auswertung der Information hinsichtlich der Anordnung von verschiedenen Orten des Objekts 3 in Richtung der optischen Achse 16 ist es jedoch nötig, dass wenigstens zwei Bilder des Objekts 3 von der Kamera 35 aufgenommen werden, wobei die Bilder bei verschiedenen Einstellungen der Phasendifferenz Δφ zwischen der Modulation der Strahlungsquelle 5 und der Modulation des Bildverstärkers 19 gewonnen werden. Mit Hilfe des Rechners 29 werden diese wenigstens zwei Bilder miteinander verglichen und verrechnet, um hieraus die gewünschte Information über die räumliche Anordnung der Orte des Objekts 3 in Richtung der optischen Achse zu gewinnen. Sobald diese Information gewonnen ist, erzeugt der Rechner 29 eine dreidimensionale Darstellung des Objekts 3 auf einem Bildschirm 37. These images of the object 3 output by the camera 35 contain information about different locations of the object 3 both with regard to their lateral extent with respect to, for example, an optical axis 16 of the objective 15 and with regard to their arrangement in the direction of the optical axis 16 . The lateral arrangement of locations of the object 3 can be evaluated in a conventional manner, as is customary for two-dimensional images of objects. To evaluate the information with regard to the arrangement of different locations of the object 3 in the direction of the optical axis 16 , however, it is necessary that at least two images of the object 3 are recorded by the camera 35 , the images with different settings of the phase difference Δφ between the modulation the radiation source 5 and the modulation of the image intensifier 19 . With the help of the computer 29 , these at least two images are compared and calculated in order to obtain the desired information about the spatial arrangement of the locations of the object 3 in the direction of the optical axis. As soon as this information is obtained, the computer 29 generates a three-dimensional representation of the object 3 on a screen 37 .
Die Auswertung der wenigstens zwei bei verschieden
eingestellten Phasendifferenzen Δφ gewonnenen Bilder des Objekts 3
kann auf vielfältige Weise geschehen. Eine Möglichkeit, die
auch das Verständnis der Arbeitsweise des
Untersuchungssystems 1 erläutert, sei nachfolgend anhand von zwei an dem
Objekt 3 mit Abstand voneinander angeordneten Orten X und Y
erläutert:
Beide Orte X und Y werden mit dem intensitätsmodulierten
Licht 9 der Strahlungsquelle 5 beleuchtet, wobei zwischen der
zeitabhängigen Beleuchtungsintensität an dem Ort X und der
entsprechenden zeitabhängigen Beleuchtungsintensität an dem
Ort Y aufgrund des Abstandes der beiden Orte X und Y
voneinander in Richtung der Strahlrichtung des Lichtes 9 ein
Phasenunterschied φ1' besteht. An dem Ort X kann die
absolute Phase der Modulation der Strahlungsquelle 5 willkürlich
auf 0 gesetzt werden. Somit läßt sich die Beleuchtungsstärke
an dem Ort Y schreiben als:
I(t) = I0[1 + y.sin(2πft + φ1')] (1)
The evaluation of the at least two images of the object 3 obtained at differently set phase differences Δφ can be done in a variety of ways. One possibility, which also explains the understanding of the mode of operation of the examination system 1, is explained below with reference to two locations X and Y arranged on the object 3 at a distance from one another:
Both locations X and Y are illuminated with the intensity-modulated light 9 of the radiation source 5 , with the time-dependent illumination intensity at location X and the corresponding time-dependent illumination intensity at location Y due to the distance between the two locations X and Y from one another in the direction of the beam direction of the light 9 there is a phase difference φ 1 '. At location X, the absolute phase of the modulation of radiation source 5 can be arbitrarily set to 0. Thus the illuminance at location Y can be written as:
I (t) = I 0 [1 + y.sin (2πft + φ 1 ')] (1)
Hierbei bedeutet I0 eine Konstante, in die die Lichtstärke der Strahlungsquelle 5 eingeht, y ist eine Modulationstiefe für die Modulation der Strahlungsquelle, 2πf repräsentiert die Kreisfrequenz für die von dem Hochfrequenzgenerator 11 bereitgestellte Frequenz, und φ1' repräsentiert die aufgrund der Lichtlaufdauer zwischen den Orten X und Y erzeugte Phasendifferenz. Es gilt: φ1' = d'(x)/λ, wobei d'(x) der Abstand zwischen den beiden Punkten in Richtung des Beleuchtungslichts 9 ist und λ die Wellenlänge der Intensitätsmodulation des Lichts. Here, I 0 means a constant into which the light intensity of the radiation source 5 is included, y is a modulation depth for the modulation of the radiation source, 2πf represents the angular frequency for the frequency provided by the high-frequency generator 11 , and φ 1 'represents that due to the duration of the light run between Locations X and Y generated phase difference. The following applies: φ 1 '= d' (x) / λ, where d '(x) is the distance between the two points in the direction of the illuminating light 9 and λ is the wavelength of the intensity modulation of the light.
Die von der Strahlungsquelle 5 beleuchteten Orte X und Y
strahlen wiederum Licht in Richtung zu dem Objektiv 15 ab.
Die Rückstrahlintensität für den Ort Y kann geschrieben
werden als:
U1(x, t) = A(x)[1 + y.sin(2πft + φ1' + φ1")] (2)
The locations X and Y illuminated by the radiation source 5 in turn emit light in the direction of the objective 15 . The retroreflective intensity for location Y can be written as:
U 1 (x, t) = A (x) [1 + y.sin (2πft + φ 1 '+ φ 1 ")] (2)
Hierin bedeutet A(x) eine ortsabhängige Konstante, in die die Farbe, Reflektivitäten usw., d. h. das Albedo der verschiedenen Orte des Objekts 3 eingeht. φ1" ist die Phasenverschiebung, welche aufgrund des Abstands der Orte X und Y in Richtung der optischen Achse 16 erzeugt wird. Here, A (x) means a location-dependent constant, into which the color, reflectivities, etc., ie the albedo of the different locations of the object 3, are included . φ 1 "is the phase shift which is generated on the basis of the distance between the locations X and Y in the direction of the optical axis 16 .
Die Phasendifferenz φ1', die aufgrund der Beleuchtung erzeugt
wird und die Phasendifferenz φ1", die durch die Abbildung
des Objekts 3 erzeugt wird, können zu einem gemeinsamen Term
φ1 zusammengefaßt werden, der ortsabhängig ist. Es ergibt
sich somit:
U1(x, t) = A(x)[1 + y.sin(2πft + φ1(x))] (3)
The phase difference φ 1 ', which is generated due to the illumination, and the phase difference φ 1 ", which is generated by the imaging of the object 3 , can be combined to form a common term φ 1 , which is location-dependent.
U 1 (x, t) = A (x) [1 + y.sin (2πft + φ 1 (x))] (3)
Das in der Bildebene 17 entstehende Bild des Objekts 3 hat somit die in Formel 3 angegebene Zeit- und Ortsabhängigkeit. The image of the object 3 that arises in the image plane 17 thus has the time and location dependency specified in formula 3.
Zwischen der Bildebene 17 und der Kamera 35 ist allerdings
noch der zeitlich modulierte Bildverstärker 19 angeordnet.
Dessen Verstärkung kann durch folgende Formel angegeben
werden:
U2(t) = B[1 + z.cos(2πft + φ2)] (4)
However, the time-modulated image intensifier 19 is still arranged between the image plane 17 and the camera 35 . Its reinforcement can be specified using the following formula:
U 2 (t) = B [1 + z.cos (2πft + φ 2 )] (4)
Hierbei bedeutet B eine Konstante, z eine Modulationstiefe und φ2 den von dem Phasenschieber 27 bereitgestellten Phasenwinkel zwischen der Modulation der Strahlungsquelle 5 und der Modulation des Bildverstärkers 19. Here B is a constant, z is a depth of modulation and φ 2 is the phase angle provided by the phase shifter 27 between the modulation of the radiation source 5 and the modulation of the image intensifier 19 .
In die in der lichtempfindlichen Fläche 33 der Kamera 35
entstehende Darstellung des Objekts 3 gehen die Formeln 3 und
4 multiplikativ ein, so dass die Orts- und Zeitabhängigkeit
dieser Darstellung geschrieben werden kann als:
U3(x, t) = U1(x, t).U2(t) = A(x).B[1 + y.sin(2πft + φ1(x))].[1 + z.cos(2πft ± φ2)] (5)
The formulas 3 and 4 are multiplied in the representation of the object 3 in the light-sensitive surface 33 of the camera 35 , so that the position and time dependence of this representation can be written as:
U 3 (x, t) = U 1 (x, t) .U 2 (t) = A (x) .B [1 + y.sin (2πft + φ 1 (x))]. [1 + z. cos (2πft ± φ 2 )] (5)
Aus dieser orts- und zeitabhängigen Darstellung erzeugt die
Kamera durch zeitliche Integration während einer
Integrationsdauer eine zeitliche integrierte Darstellung
From this location- and time-dependent representation, the camera generates a temporally integrated representation through temporal integration during an integration period
Hierbei ist φ1(x) der interessierende Term, da er die
Information über die Anordnung der Orte X und Y in Richtung quer
zur Lateralrichtung des Bildes des Objekts 3 enthält.
Allerdings sind in der Formel 6 noch einige andere ortsabhängige
oder auch ortsunabhängige Parameter enthalten, welche es
ebenfalls zu bestimmen gilt. Hierzu werden mehrere derartige
integrierte Darstellungen
Aus den Phasenlagen φ1(x) der verschiedenen Orte des Objekts 3 konstruiert der Rechner die dreidimensionale Struktur des Objekts 3 und generiert dann eine dreidimensionale Darstellung des Objekts 3, um diese auf der Anzeige 37 anzuzeigen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können Ortsauflösungen in Strahlrichtung von besser als etwa 0,3 m erreicht werden. Φ of the phase positions 1 (x) of the different locations of the object 3, the computer constructed the three-dimensional structure of the object 3 and then generates a three-dimensional representation of the object 3, to display them on the display 37th In the present exemplary embodiment, spatial resolutions in the beam direction of better than approximately 0.3 m can be achieved.
Bei der schematischen Darstellung der Fig. 1 ist ein vergleichsweise großer Winkel zwischen der Richtung des Lichtbündels 9 und der optischen Achse 16 vorgesehen. Obwohl auch bei Berücksichtigung dieses Winkels die dreidimensionale Struktur des Objekts 3 rekonstruierbar ist, vereinfacht sich der Aufwand einer solchen Rekonstruktion in der Praxis dann, wenn der laterale Abstand zwischen dem Projektionsobjektiv 7 und dem Objektiv 15 wesentlich kleiner ist als der Abstand zwischen dem Objekt und den Objektiven 7 und 15. Es ist dann nämlich dieser Winkel vernachlässigbar. Im übrigen ist es auch möglich, sowohl für die Projektion des Lichtstrahls auf das Objekt als auch für dessen Abbildung auf den Detektor ein gemeinsames Objektiv einzusetzen, also die Komponenten 7 und 15 der Fig. 1 zu einer einzigen Komponente zusammenzufassen. In the schematic illustration of FIG. 1, a comparatively large angle between the direction of the light beam 9 and the optical axis 16 is provided. Although the three-dimensional structure of the object 3 can be reconstructed even when this angle is taken into account, the effort of such a reconstruction is simplified in practice if the lateral distance between the projection objective 7 and the objective 15 is substantially smaller than the distance between the object and the Lenses 7 and 15 . This angle is then negligible. Otherwise, it is also possible to use a common lens both for the projection of the light beam onto the object and for its imaging on the detector, that is to say to combine the components 7 and 15 of FIG. 1 into a single component.
Die Berechnung φ1(x) kann für jedes Pixel des von der Kamera 35 ausgegebenen Bildes erfolgen. Hierzu können einander hinsichtlich ihrer Position innerhalb der Bilder entsprechende Pixel von den bei verschiedenen Phasendifferenzen aufgenommenen Bildern miteinander verrechnet werden, um die verschiedenen Unbekannten in Gleichung (6) und damit auch den interessierenden Term φ1 des entsprechenden Pixels zu ermitteln. Es ist jedoch auch möglich, anhand mehrerer oder sämtlicher Pixel der Bilder die Terme in Formel 6 zu ermitteln, welche im wesentlichen nicht ortsabhängig sind. Es sind dies beispielsweise die Modulationstiefen y und z und die konstanten Anteile von A und B, welche die Beleuchtungsintensität und die Modulationsamplitude des Modulators verkörpern. The calculation φ 1 (x) can be carried out for each pixel of the image output by the camera 35 . For this purpose, pixels corresponding to one another with regard to their position within the images can be offset against one another from the images recorded at different phase differences, in order to determine the various unknowns in equation (6) and thus also the term φ 1 of interest of the corresponding pixel. However, it is also possible to use several or all of the pixels of the images to determine the terms in formula 6 which are essentially not location-dependent. These are, for example, the modulation depths y and z and the constant components of A and B, which embody the lighting intensity and the modulation amplitude of the modulator.
Nachfolgend werden Varianten der Erfindung erläutert. Hierbei sind Komponenten, die hinsichtlich ihrer Funktion und ihres Aufbaus Komponenten der in Fig. 1 erläuterten Ausführungsform entsprechen, mit den gleichen Bezugsziffern wie in der Fig. 1 bezeichnet, zur Unterscheidung jedoch mit einem zusätzlichen Buchstaben versehen. Variants of the invention are explained below. In this case, components which correspond to components of the embodiment explained in FIG. 1 with regard to their function and structure are designated with the same reference numerals as in FIG. 1, but are provided with an additional letter to distinguish them.
Ein in Fig. 2 dargestelltes Untersuchungssystem 1a weist einen ähnlichen Aufbau auf, wie das anhand der Fig. 1 erläuterte Untersuchungssystem. Ein Hochfrequenzgenerator 11a stellt eine Hochfrequenz bereit, welche einen Verstärker 13a ansteuert, der eine Strahlungsquelle 5a treibt, so dass diese über ein Projektionsobjektiv 7a ein Strahlenbündel 9a zur Beleuchtung eines Objekts 3a erzeugt. Das Licht des Strahlenbündels 9a ist über seinen Querschnitt eine im wesentlichen gleichförmige Intensität auf und ist mit der von dem Generator 11a bereitgestellten Hochfrequenz intensitätsmoduliert. An examination system 1 a shown in FIG. 2 has a structure similar to that of the examination system explained with reference to FIG. 1. A high-frequency generator 11 a provides a high frequency, which controls an amplifier 13 a, which drives a radiation source 5 a, so that it generates a beam 9 a via a projection lens 7 a for illuminating an object 3 a. The light of the beam 9 a has a substantially uniform intensity over its cross section and is intensity-modulated with the high frequency provided by the generator 11 a.
Von dem Objekt 3a zurückgeworfenes Licht wird von einer Abbildungsoptik 15a aufgefangen und auf eine Bildebene 17a derart geführt, dass in dieser ein im wesentlichen scharfes optisches Abbild des Objekts 3a entsteht. Eine lichtempfindliche Fläche 33a eines Kamerachips 35a fällt mit der Bildebene 17a zusammen, so dass der Kamerachip 35a ein zeitintegriertes, ortaufgelöstes Bild des Objekts 3a an einen Rechner 29a ausgeben kann. Light thrown back by the object 3 a is captured by an imaging optics 15 a and guided onto an image plane 17 a in such a way that an essentially sharp optical image of the object 3 a is produced in this. A light-sensitive surface 33 a of a camera chip 35 a coincides with the image plane 17 a, so that the camera chip 35 a can output a time-integrated, spatially resolved image of the object 3 a to a computer 29 a.
Die Abbildungsoptik 15a umfasst ein Objektiv mit einer ersten Linsengruppe 41 und einer zweiten Linsengruppe 42, welche zusammen das von dem Objekt 3a ausgehende Licht zu einem parallelen Strahlenbündel 45 formen. Das parallele Strahlenbündel 45 durchsetzt einen akusto-optischen Modulator 47 und wird sodann durch eine weitere Linsengruppe 49 auf die lichtempfindliche Fläche 33a des Kamerachips 35a geführt, so dass dort Bild des Objekts 3a entsteht. Der akusto-optische Modulator 47 wird von einem Treiber 25a angesteuert, welcher wiederum mit der von dem Generator 11a bereitgestellten Frequenz angesteuert wird. Hierbei ist allerdings zwischen dem Generator 11a und dem Treiber 25a eine Phasenschiebeschaltung 27a eingefügt, welche von dem Rechner 29a angesteuert wird, um eine Phasendifferenz zwischen der Intensitätsmodulation der Lichtquelle 5a und der Modulation des akusto-optischen Modulators 47 frei einzustellen. The imaging optics 15 a comprise an objective with a first lens group 41 and a second lens group 42 , which together form the light emanating from the object 3 a into a parallel beam 45 . The parallel beam 45 passes through an acousto-optical modulator 47 and is then passed through a further lens group 49 onto the light-sensitive surface 33 a of the camera chip 35 a, so that an image of the object 3 a is formed there. The acousto-optical modulator 47 is driven by a driver 25 a, which in turn is driven at the frequency provided by the generator 11 a. Here, however, a phase shift circuit 27 a is inserted between the generator 11 a and the driver 25 a, which is controlled by the computer 29 a in order to freely set a phase difference between the intensity modulation of the light source 5 a and the modulation of the acousto-optical modulator 47 .
Der akusto-optische Modulator führt zu einer periodischen Abschwächung der Intensität des in der Bildebene 17a entstehenden Bildes des Objekts 3a. Damit wirkt der akusto-optische Modulator 47 ähnlich wie der modulierbare Bildverstärker 19 in Fig. 1. Er führt nämlich dazu, dass eine Intensität des von dem Integrator, d. h. dem Kamerachip, zeitlich integrierten Bildes vor dessen Integration intensitätsmoduliert wird. The acousto-optical modulator leads to a periodic weakening of the intensity of the image of the object 3 a arising in the image plane 17 a. The acousto-optical modulator 47 thus acts in a similar way to the modulatable image intensifier 19 in FIG. 1. This means that an intensity of the image integrated in time by the integrator, ie the camera chip, is intensity-modulated prior to its integration.
Damit können von dem Rechner 29a aus der Kamera 35a mehrere Bilder ausgelesen werden, welche bei jeweils verschiedenen Einstellungen der Phasendifferenz Δφ zwischen der Modulation der Beleuchtung und der Modulation des akusto-optischen Modulators 47 aufgenommen wurden. Entsprechend ist es möglich, aus diesen Bildern Information über Abstände verschiedener Orte des Objekts 3a von einem beliebigen Bezugspunkt, etwa der Linsengruppe 41 oder dem Projektionsobjektiv 7a oder einem anderen derart gewählten Punkt, zu ermitteln. The computer 29 a can thus read out a plurality of images from the camera 35 a, which were recorded with different settings of the phase difference Δφ between the modulation of the lighting and the modulation of the acousto-optical modulator 47 . Accordingly, it is possible from these images information on distances of different locations of the object 3 a from an arbitrary reference point, such as the lens group 41 or the projection lens 7 a or any other point so selected to determine.
Claims (14)
einen Frequenzgenerator (11) zur Bereitstellung einer vorbestimmten Frequenz (f),
eine mit der Frequenz (f) intensitätsmodulierte Strahlungsquelle (5) zur Beleuchtung des Objekts (3),
eine Abbildungsoptik (15), um in einer Bildebene (17) der Abbildungsoptik (15) ein Bild des Objekts (3) zu erzeugen,
einen Integrator (35) zur Integration einer aus dem Bild erzeugten Darstellung des Objekts (3) und zur Ausgabe der während wenigstens einer Integrationsdauer des Integrators (35) integrierten Darstellung des Objekts (3), und
einen zwischen dem Integrator (35) und dem Objekt (3) vorgesehenen Modulator (19, 47), um die Darstellung des Objekts (3) vor deren Integration mit der Frequenz (f) intensitätszumodulieren,
gekennzeichnet durch
einen Phasenschieber (27), um eine Phasendifferenz (Δφ) zwischen der Modulation der Strahlungsquelle (5) und der Modulation der Darstellung einzustellen. 1. Device for measuring an object ( 3 ), comprising:
a frequency generator ( 11 ) for providing a predetermined frequency (f),
a radiation source ( 5 ) intensity-modulated with frequency (f) for illuminating the object ( 3 ),
imaging optics ( 15 ) to generate an image of the object ( 3 ) in an image plane ( 17 ) of the imaging optics ( 15 ),
an integrator (35) for integrating a generated from the image representation of the object (3) and for outputting the integrated during at least one integration time of the integrator (35) representation of the object (3), and
a modulator ( 19 , 47 ) provided between the integrator ( 35 ) and the object ( 3 ) in order to intensity-modulate the representation of the object ( 3 ) with the frequency (f) before it is integrated,
marked by
a phase shifter ( 27 ) to set a phase difference (Δφ) between the modulation of the radiation source ( 5 ) and the modulation of the representation.
Beleuchten des Objekts mit mit einer vorbestimmten Frequenz periodisch intensitätsmoduliertem Licht,
Abbilden des Objekts mit Licht, welches von dem Objekt zurückgeworfen wurde,
Erzeugen einer Darstellung des Objekts aus dessen Abbild, wobei die Darstellung eine ortsabhängige Intensitätsverteilung des von dem Objekt zurückgeworfenen Lichts wiedergibt,
Intensitätsmodulieren der Darstellung mit der vorbestimmten Frequenz und mit einer einstellbaren Phasendifferenz relativ zu der Modulation des für das Beleuchten verwendeten intensitätsmodulierten Lichts,
Integrieren der Darstellung während einer Integtationsdauer,
wobei wenigstens zwei integrierte Darstellungen bei voneinander verschiedenen Phasendifferenzen gewonnen werden und aus den wenigstens zwei integrierten Darstellungen Geometrie-Daten erzeugt werden, die eine räumliche Beziehung verschiedener Orte des Objekts relativ zueinander repräsentieren. 13. A method for measuring an object, comprising:
Illuminating the object with light that is periodically intensity-modulated at a predetermined frequency,
Imaging the object with light reflected from the object,
Generating a representation of the object from its image, the representation representing a location-dependent intensity distribution of the light reflected by the object,
Intensity modulating the display with the predetermined frequency and with an adjustable phase difference relative to the modulation of the intensity-modulated light used for the illumination,
Integrating the representation during an integration period,
wherein at least two integrated representations are obtained at different phase differences and geometry data are generated from the at least two integrated representations, which represent a spatial relationship of different locations of the object relative to one another.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE2002120177 DE10220177A1 (en) | 2002-05-06 | 2002-05-06 | Device for measuring object, especially for displaying 3D images of objects, has phase shifter that adjusts phase difference between modulations of radiation source and of object representation |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE2002120177 DE10220177A1 (en) | 2002-05-06 | 2002-05-06 | Device for measuring object, especially for displaying 3D images of objects, has phase shifter that adjusts phase difference between modulations of radiation source and of object representation |
Publications (1)
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|---|---|
| DE10220177A1 true DE10220177A1 (en) | 2003-11-27 |
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Family Applications (1)
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| DE2002120177 Ceased DE10220177A1 (en) | 2002-05-06 | 2002-05-06 | Device for measuring object, especially for displaying 3D images of objects, has phase shifter that adjusts phase difference between modulations of radiation source and of object representation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE10220177A1 (en) |
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- 2002-05-06 DE DE2002120177 patent/DE10220177A1/en not_active Ceased
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