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Patent Searching and Data


Title:
DYNAMIC IMAGE ACQUISITION WITH IMAGING SENSORS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2008/012054
Kind Code:
A1
Abstract:
In a measurement system with an optical image acquisition system and relative motion between measurement object and image acquisition system, the focal point (F) of the image acquisition system (3) is allowed to oscillate in the scan direction, in order to create, by superposition of the oscillatory motion of the focal point on the scanning motion, image acquisition intervals during which the focal point (F) rests on the surface of the measurement object (2), or correspondingly the image projected on to the camera chip rests on the camera chip. This occurs preferably under uniform unaccelerated relative motion between measurement object and image acquisition system. A lack of edge-sharpness of the images is avoided in spite of relatively long illumination times and moderate illumination intensities.

Inventors:
ZIEGENBEIN RAINER (DE)
MAHR CARL FRIEDER (DE)
Application Number:
PCT/EP2007/006543
Publication Date:
January 31, 2008
Filing Date:
July 23, 2007
Export Citation:
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Assignee:
CARL MAHR HOLDING GMBH (DE)
ZIEGENBEIN RAINER (DE)
MAHR CARL FRIEDER (DE)
International Classes:
G01B11/24
Foreign References:
DE102004047928A12006-04-06
EP1199542A22002-04-24
DE19954684A12001-05-17
Attorney, Agent or Firm:
RÜGER, BARTHELT & ABEL (Esslingen, DE)
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Claims:

Patentansprüche :

1. Verfahren zum optischen Messen an einer Oberfläche eines Messobjekts mittels eines Bildaufnahmesystems (3) zur Aufnahme eines Bildes, mit folgenden Verfahrensmerkmalen:

- das Messobjekt und das Bildaufnahmesystem werden gegeneinander in einer Scanrichtung mit einer Scangeschwin- digkeit bewegt,

- zumindest einer Komponente (8, 12) des Bildaufnahmesystems (3) , die die Position des aufgenommenen Bildes in Bezug auf das Messobjekt (2) bestimmt, oder dem Messob- jekt (2) wird zur Schaffung eines Bildaufnahmeintervalls (V) eine überlagerungsbewegung erteilt, so dass die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen dem Messobjekt (2) und dem Bild zumindest kurzzeitig deutlich geringer als die Scangeschwindigkeit ist oder Null beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die überlagerungsbewegung abwechselnd eine der Scanbewegungsrichtung gleiche und eine entgegengesetzte Bewe- gungsrichtung aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die überlagerungsbewegung einer massearmen Komponente (8, 12) des Bildaufnahmesystems (3) erteilt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente ein Spiegel ist, und/oder eine Linse ist

und/oder ein Prisma ist und/oder eine Parallelplatte ist und/oder ein Gitter und/oder eine Kamera ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt während der Messung in Ruhe gehalten und von dem Bildaufnahmesystem sowohl die Scanbewegung als auch die überlagerungsbewegung erbracht werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Messobjekt während der Messung zur Ausführung der Scanbewegung bewegt wird und das Bildaufnahmesystem oder Komponenten desselben die überlagerungsbewegung ausführen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Relativbewegung während des Bildaufnahmeintervalls erfasst und die überlagerungs- bewegung über eine Regelung so nachgeführt wird, dass die sich ergebende Relativbewegung während des Bildauf- nahmeintervalls exakt Null ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Scanbewegung erfasst und als Sollwert für die überlagerungsbewegung genommen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die überlagerungsbewegung eine oszillierende Bewegung ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die überlagerungsbewegung einer Kurve folgt, deren erste und zweite Zeitableitung stetig ist.

ie

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierende Bewegung einer symmetrischen Kurve oder einer unsymmetrischen Kurve, einer Sinuskurve, einer Dreieckkurve oder einer Rechteckkurve folgt .

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu der überlagerungsbewegung mindestens vier Phasen gehören :

a. Messphase zur Schaffung des Bildaufnahmeintervalls mit Relativgeschwindigkeit Null zwischen dem Bild und dem Messobjekt, b. Beschleunigungsphase zur Beschleunigung der Komponente auf eine Vorlaufgeschwindigkeit c. Bewegung der Komponente mit Vorlaufgeschwindigkeit d. Bremsen der Komponente auf Scangeschwindigkeit.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während jedes Bildaufnahmeintervalls je ein Bild aufge- nommen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aufgenommenen Bilder zu einem Gesamtbild zusammenge- fasst werden.

15. Vorrichtung (1) zum optischen Messen an einer Oberfläche eines Messobjekts (2) mittels eines Bildaufnahmesystems zur Aufnahme eines Bildes, mit:

- einer Einrichtung (15) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Messobjekt (2) und dem Bildaufnahmesystem (3) in einer Scanrichtung mit einer Scangeschwindigkeit ,

- einer Einrichtung (13) zur Erzeugung einer überlagerungsbewegung für zumindest eine Komponente (12) des Bildaufnahmesystems (3) oder das Messobjekt (2), die die Position des aufgenommenen Bildes in Bezug auf das Messobjekt (2) bestimmt, zur Schaffung eines Bildaufnahmeintervalls (V) , so dass die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen dem Messobjekt (2) und dem Bild zumindest kurzzeitig deutlich geringer als die Scangeschwindigkeit ist oder Null beträgt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Komponente des Bildaufnahmesystems (3), der die überlagerungsbewegung erteilt wird, das gesamte BiId- aufnahmesystem (3) ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Komponente (12) des Bildaufnahmesystems (13) , der die überlagerungsbewegung erteilt wird, eine massearme Komponente des Bildaufnahmesystems (3) ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente eine bildverschiebende Einrichtung wie z.B. ein Spiegel und/oder eine Linse und/oder ein Prisma und/oder eine Parallelplatte und/oder ein Gitter und/oder eine Kamera ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bewegung der Komponente (12) wenigstens ein Aktuator (13) vorgesehen ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bewegung der Komponente (8, 12) zumindest zwei

Aktuatoren vorgesehen sind, mit denen sich das Bild relativ zu dem Messobjekt in voneinander unabhängigen Richtungen verschieben lässt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren Piezoaktoren sind.

Description:

Dynamische Bildaufnahme mit bildgebenden Sensoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Vermessung einer Oberfläche eines Messobjekts mittels eines Bildaufnahmesystems.

Bei der Aufnahme eines Messobjekts mittels eines Bildaufnahmesystems, insbesondere zur Vermessung desselben, müssen Maßnahme getroffen werden, die ein Verwackeln des aufgenommenen Bildes verhindern. Bei kontinuierlicher Bewegung zwischen Messobjekt und Bildaufnahmesystem ist es möglich, mittels Blitzbeleuchtung Momentaufnahmen des Objekts zu erzeugen. Jedoch können schon bei relativ langsamen Geschwindigkeiten von beispielsweise lediglich 10 mm/Sek, und Belichtungszeiten von 1/5000 Sekunde genaue Messaufgaben nicht mehr erfüllt werden. Die Relativbewegung während der Zeit des

Blitzes beträgt dann schon zwei Mikrometer oder bei gängigen

Kameras rund vier Pixel, so dass das Bild entsprechend verschmiert ist. Außerdem können die auftretenden starken Lichtreflexionen bei Beleuchtung des Objekts mit stroboskopischen Blitzen zu Verfälschungen der Bildaufnahme führen. Es muss somit entweder mit sehr geringen Relativgeschwindigkeiten zwischen Messobjekt und Bildaufnahmesystem oder mit einer stufenweisen Bewegung gearbeitet werden.

Besonders störend ist die Relativbewegung zwischen dem Messobjekt und dem Bildaufnahmesystem bei interferometrischen Messungen. Andererseits bietet das interferometrische Messprinzip ein weites Spektrum von Anwendungsmöglichkeiten, das möglichst ausgeschöpft werden soll.

Die DE 10 2004 047 928 Al offenbart ein optisches 3D-

Messverfahren, das mit einem Objektiv geringer Tiefenschärfe arbeitet. Das Objektiv legt eine Fokusebene fest, die bei der Messung entlang der optischen Achse des Messsystems (in Z- Richtung) bewegt wird. Dadurch wird eine Serie von Bildern aufgenommen, die als „Bilderstapel" bezeichnet wird. Dieser Bilderstapel wird im einfachsten Falle bei ruhender Fokusebene aufgenommen, indem die Bewegung der Fokusebene in Bezug auf die Objektfläche während der Messung zur Bildaufnahme jeweils gestoppt wird. Alternativ wird mit bewegter Fokus- ebene gearbeitet, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit der Fokusebene in Bezug auf die Bildaufnahmegeschwindigkeit gering ist. Um die Bildaufnahmegeschwindigkeit zu steigern, wird die Bewegung der Fokusebene während der Bildaufnahme berücksichtigt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Messeinrichtung zu schaffen, die eine erhöhte Bildaufnahmegeschwindigkeit gestattet. Es ist des Weiteren Aufgabe der Erfindung, ein dazu geeignetes Verfahren anzugeben.

Durch die Erfindung wird es möglich, das Bildaufnahmesystem ohne zu halten über ein Messobjekt zu bewegen und dabei Bilder der Messobjektoberfläche aufzunehmen. Dies führt zu einem schnelleren Messlauf, bzw. einer verkürzten Mess- zeit . Ein Verwackeln von Bildern wird verhindert . Außerdem wird es überflüssig, die Bewegung des Messobjekts oder des Messsystems immer wieder zu stoppen, d.h. zu beschleunigen und anzuhalten, was in der Praxis z.B. durch die dadurch erzeugten Schwingungen zu erheblichen Schwierigkeiten führen würde.

Die genannten Vorteile erbringt das erfindungsgemäße Verfahren, indem dem Bildaufnahmesystem oder zumindest einer massearmen Komponente derselben eine der Scanbewegung überla- gerte, der Scanbewegung entgegen gesetzt gerichtete Relativbewegung erteilt wird, die jeweils für die Zeit der Bildaufnahme andauert . Die Richtung der Scanbewegung und der überlagerungsbewegung stimmt überein, wobei die Scanbewegung vorzugsweise eine gleichförmige Bewegung und die überlagerungs- bewegung eine schwingende Bewegung ist. Die überlagerung ergibt kurze Ruhephasen der Relativbewegung. Die Relativbewegung zwischen dem Messobjekt und dem Bild oder, mit anderen Worten, zwischen dem auf dem Kamerachip projizierten Bild der Messobjektoberfläche und dem Kamerachip wird jeweils für die Dauer der Bildaufnahme Null. Ein Verwackeln des Bildes wird somit ausgeschlossen. Es wird ein kurzes Bildaufnahmeintervall geschaffen, indem die Kamera auch bei schwacher oder mäßiger Beleuchtung ausreichend Belichtungszeit hat und dennoch ein scharfes Bild erhält. Es können vielfältige Beleuch- tungstechniken angewandt werden. Die Anwendung ist nicht auf stroboskopische Beleuchtung oder Blitzbeleuchtung beschränkt. Es ist nicht mehr nötig, die Kamera oder den Kamerakopf über der Oberfläche des Messobjekts physisch anzuhalten oder das Messobjekt physisch anzuhalten. Die Verweilzeit des Bildes

auf dem Kamerachip wird durch Bewegung optischer Komponenten des Bildaufnahmesystems erreicht, wobei die Bewegung Dreh-, Kipp- oder Verschiebebewegungen sein können und lediglich geringe Amplituden haben. Die bewegte Komponente kann ein Spiegel, eine Linse, ein Prisma, eine Parallelplatte, ein

Gitter, der Kamerachip, das Kameragehäuse, der Kameraträger oder ähnliches sein. Es ist jedoch keine Einflussnahme auf die Achsen der Messmaschine erforderlich, mit denen das optische Messsystem im Ganzen oder das Messobjekt bewegt wird. Somit werden die bewegten Massen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gering gehalten.

Prinzipiell ist es sowohl möglich, die Scanbewegung durch die Bewegung des Messobjekts hervorzurufen, als auch die Scanbewegung durch die Bewegung des Bildaufnahmesystems hervorzurufen. Ist das Bildaufnahmesystem selbst relativ klein und leicht kann beispielsweise das Messobjekt gleichförmig durch das Blickfeld des Bildaufnahmesystems bewegt werden, während das Bildaufnahmesystem eine Oszillationsbewe- gung ausführt. Während der Oszillationsbewegung bewegt sich das Bildaufnahmesystem jeweils kurzzeitig synchron zu dem Messobjekt. Diese Phasen synchroner Bewegung stellen zeitliche Bildaufnahmeintervalle dar, in denen ein virtuell ruhendes Bild aufgenommen werden kann.

Die Bewegung kann sowohl das gesamte Messsystem erfassen, indem dieses oszilliert. Die Oszillationsrichtung stimmt mit der Bewegungsrichtung des Messobjekts überein. Es ist jedoch auch möglich, nur Teile des Bildaufnahmesystems oszil- lieren zu lassen. Dies minimiert beschleunigungsinduzierte Vibrationseinflüsse auf das Bildaufnahmesystem.

Vorzugsweise wird die überlagerungsbewegung so festgelegt, dass die Relativbewegung zwischen dem Messobjekt und

dem Bild während des Bildaufnahmeintervalls Null ist. Unter „Bild" wird in diesem Zusammenhang der von dem Bildaufnahmesystem betrachtete Bereich des Messobjekts verstanden. Mit dem Verschwinden der Relativbewegung zwischen dem Messobjekt und dem Bild verschwindet auch die Relativbewegung zwischen dem Kamerachip und dem Projektionsbild, d.h. der auf den Kamerachip projizierten Abbildung der Messobjektoberflache .

Es kann eine Regelschleife vorgesehen werden, die die Relativbewegung während des BildaufnahmeintervalIs auf Null regelt, indem eine entsprechende überlagerungsbewegung eingestellt wird. Des Weiteren ist es möglich, die Scangeschwindigkeit zu erfassen und die Stellgeschwindigkeit entsprechender Komponenten in dem Bildaufnahmesystem von vornherein ent- sprechend festzulegen, so dass sich die Relativgeschwindigkeit Null einstellt.

Die überlagerungsbewegung kann zumindest prinzipiell durch eine gleichförmige Bewegung, wie beispielsweise eine rotierende Bewegung eines Polygonspiegels oder dergleichen erzielt werden. Vorzugsweise wird jedoch eine oszillierende Bewegung genutzt, deren Parameter (Frequenz und Amplitude) einstellbar sind. Im bevorzugten Falle weist die überlagerungsbewegung eine stetige erste und zweite Zeitableitung auf. Es wird somit eine stoß- und ruckfreie Bewegung angestrebt und erhalten. Kurven mit stetiger erster und zweiter Zeitableitung werden in diesem Zusammenhang als sinuid (sinusartig) bezeichnet. Es ist allerdings auch möglich, die oszillierende Bewegung anderweitig zu gestalten, beispiels- weise einer symmetrischen oder einer unsymmetrischen Kurve, einer Dreieckkurve oder einer Rechteckkurve folgen zu lassen. Unabhängig davon, folgt die überlagerungsbewegung vorzugsweise jeweils vier Phasen, nämlich einer Messphase mit ReIa- tivgeschwindigkeit Null zwischen Bild und Messobjekt, einer

Beschleunigungsphase zur Beschleunigung der Komponente des Bildaufnahmesystems auf Vorlauf- oder überholgeschwindigkeit, Bewegung der Komponente mit Vorlaufgeschwindigkeit und Bremsen der Komponente auf Scangeschwindigkeit (mit Relativge- schwindigkeit Null zwischen Bild und Messobjekt) . Die Phase der Bewegung der Komponente mit Vorlauf oder überholgeschwindigkeit kann unter Umständen entfallen, wenn die Beschleunigungsphase unmittelbar in eine Bremsphase übergeht .

Die entsprechenden, oben diskutierten Vorzüge ergeben sich nicht nur für das erfindungsgemäße Verfahren sondern auch für entsprechende Vorrichtungen, die das Verfahren umsetzen. Als Aktuatoren zur Bewegung der Komponente des Bildaufnahmesystems werden vorzugsweise Piezoaktoren angewandt. Das Ansteuern derselben kann von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgenommen werden, die äußere Parameter, wie beispielsweise die Scangeschwindigkeit berücksichtigt.

Es wird bevorzugt, in dem BildaufnähmeSystem mehrere, z.B. zwei oder drei Aktoren vorzusehen, die verschiedene

Richtungen für die überlagerungsbewegung festlegen. Auf diese Weise kann z.B. die Fokusebene in Z-Richtung (Richtung der optischen Achse) oder in X- oder in Y-Richtung bewegt werden, so dass auch bei räumlichen, d.h. 3D-Scanbewegungen das Bild auf dem Kamerachip für aufeinander folgende Bildaufnahmeintervalle zur Ruhe gebracht werden kann.

Weitere Einzelheiten von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder Ansprü- chen. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:

Figur 1 ein Messsystem mit Messobjekt und Bildaufnahmesystem in schematisierter Darstellung,

Figur 2 Zeitverläufe der Geschwindigkeit der Scanbewegung und der überlagerungsbewegung

Figur 2a die sich ergebenden Relativbewegung zwischen Bild und Kamerachip als Abbildung des Wegs über der

Zeit,

Figur 3 eine Ausführungsform eines Messsystems mit Bildaufnahmesystem zur Erzeugung einer überlagerungsbewe- gung rechtwinklig zur optischen Achse,

Figur 4 eine weitere schematische Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Messsystems und

Figur 5 eine schematische Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messsystems.

In Figur 1 ist ein Messsystem 1 zum optischen Vermessen eines Messobjekts 2 veranschaulicht. Zu dem Messsystem gehören ein Bildaufnahmesystem 3 und ein Messobjektträger 4, die relativ zueinander bewegbar sind. Die Relativbewegung kann prinzipiell alle drei Raumrichtungen umfassen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird zur ersten Veranschaulichung auf die Relativbewegung entlang einer optischen Achse 5 Bezug genommen, die mit der W-Richtung eines Kamerakoordinatensystems übereinstimmt und die im Wesentlichen senkrecht auf dem Messobjektträger 4 bzw. der Oberfläche des Messobjekts 2 steht. Das UVW-Koordinatensystem des Kamerakopfs ist prinzipiell unabhängig von dem XYZ-Koordinatensystem einer Mess- maschine . Dennoch wird die W-Achse der Kamera gelegentlich auch als „Z-Richtung" bezeichnet. Die Erfindung ist aber ins- besondere für Fälle einsetzbar, bei denen die Bewegung zwischen Objekt und Kamera quer zur W-Richtung stattfindet.

Das Messsystem 1 verwirklicht die Grundidee der Erfindung, wonach der Relativbewegung zwischen dem Bildaufnahme- System 3 und dem Messobjekt 2 eine zusätzliche Bewegung überlagert wird (überlagerungsbewegung) , um die optische Relativbewegung zwischen dem Bildaufnahmesystem und dem Messobjekt kurzzeitig während Bildaufnahmeintervallen auf Null zu bringen, ohne die physische Bewegung zu stoppen. Die überlage- rungsbewegung kann eine Linearbewegung oder auch eine Schwenkbewegung sein.

Das Bildaufnahmesystem 3 enthält eine Kamera 6 mit einem Kamerachip 7, auf den das Bild der Oberfläche des Messobjekts 3 projiziert wird. Es wird dort in elektrische Signale umgesetzt und an eine Bildverarbeitungseinrichtung geliefert. Dies erfolgt während zeitlicher Bildaufnahmeintervalle, die jeweils durch Anfang und Ende der Bildaufnahme festgelegt sein können. Dazu kann an der Kamera 6 ein Shutter vorgesehen δ

sein. Es ist aber auch möglich, Anfang und Ende des Bildaufnahmeprozesses ohne Zuhilfenahme eines Shutters an dem Kamerachip 7 elektronisch zu steuern.

Zur dem Bildaufnahmesystem 3 gehört außerdem ein Objektiv 8, das z.B. eine Fokusebene 9 festlegt. Durch Verschiebung des Objektivs 8 entlang der optischen Achse 5 in W-Rich- tung kann die Position der Fokusebenen 9 verändert werden. Es kann ein Piezoantrieb vorgesehen werden, um diese Verlagerung der Fokusebene 9 in W-Richtung um beispielsweise wenige Mikrometer vorzunehmen. Damit kann einer W-Scanbewegung eine W- überlagerungsbewegung überlagert werden, bei der das gesamte Objektiv 8 mit oder ohne Kamera 6 oszilliert. Entsprechend ist es möglich, das projizierte Bild um ein kleines Intervall in U-Richtung oder V-Richtung des UVW-Koordinatensystems zu verschieben, Wenn in U- oder V-Richtung gescannt wird.

Alternativ ist es möglich, das Objektiv 8 so zu gestalten, dass die Fokusebene 9 in U- , V- oder W-Richtung um einen gewissen Betrag von beispielsweise einigen Mikrometern verlagert werden kann, so dass die Fokusebene 9 (beim scannen in W-Richtung) in die Position 9' gemäß Figur 1 gelangen kann. Dies kann beispielsweise durch gezielte Verstellung oder Verlagerung einer einzigen Linse oder eines sonstigen optischen Elements des Objektivs 8 geschehen. Wiederum kann dies durch einen Piezoaktuator erfolgen, der über eine Leitung 10 angesteuert wird.

Während Figur 1 eine Ausführungsform des Bildaufnahme- Systems 3 veranschaulicht, bei dem die Scanrichtung mit der W-Richtung übereinstimmt, veranschaulicht Figur 3 eine Aus- führungsforτn des Bildaufnahmesystems 3 bei dem die Scanrichtung quer zur W-Richtung beispielsweise in U-Richtung festgelegt ist. Das Bildaufnahmesystem 3 und der Messobjektträger 4

bzw. das Messobjekt 2 werden somit quer zur optischen Achse 5 zueinander bewegt. Die Scanrichtung ist durch einen Pfeil 11 angedeutet. In dem optischen Pfad des Bildaufnahmesystems 3 ist außer dem Objektiv 8 und der Kamera 6 in diesem Fall ein optisches Element, beispielsweise in Form einer Parallelplatte 12 vorgesehen, das darauf eingerichtet ist, das auf dem Kamerachip 7 erzeugte Bild des Messobjekts 2 in U- oder V- Richtung, d.h. parallel zur Oberfläche des Kamerachips 7 zu verschieben. Dies kann beispielsweise durch ein Drehen oder Schwenken der Parallelplatte 12 erfolgen, wie durch Pfeile angedeutet ist. Zur Bewirkung dieser Bewegung kann ein Aktua- tor 13 beispielsweise in Form eines Piezoaktuators vorgesehen sein.

Ein Messsystem kann sowohl die Komponenten nach Figur 1 als auch die Komponenten nach Figur 3 aufweisen. Einer beliebigen gerad- oder krummlinigen Scanbewegung kann somit eine überlagerungsbewegung überlagert werden, deren Richtung in jedem Bahnpunkt der Scanbewegung mit der Richtung der ξcanbe- wegung übereinstimmt. Die einzelnen Komponenten der überlagerungsbewegung sind u, u und w und stimmen mit den Komponenten der Scanbewegung u, v, w überein.

Figur 4 veranschaulicht einen weiteren Aspekt des erfin- dungsgemäßen Messsystems 1. Das Bildaufnahmesystem 3 ist an eine Verarbeitungseinrichtung 14 angeschlossen. Diese ist beispielsweise als Bildverarbeitungseinrichtung ausgebildet und wertet die von dem Kamerachip 7 gelieferten Bilder aus. Außerdem kann sie z.B. über die Leitung 10, den Aktuator 13 oder einen anderen Aktuator steuert, um eine Verlagerung der Fokusebene 9 in U- , V- oder W-Richtung vorzunehmen. Dabei wird die Verlagerung in U- oder V- synonym zur Verschiebung des Bildes des Messobjekts parallel zur Oberfläche des Kamerachips 7 verstanden.

Des Weiteren kann die Verarbeitungseinrichtung 14 eine Aktuatoreinrichtung 15 steuern, mit der der Messobjektträger 4 in U- , V- oder W-Richtung zu verschieben ist . Es kann sich bei dem Aktuator 15 somit z.B. um zwei oder mehrere Achsen einer Messmaschine handeln.

Das insoweit beschriebene Bildaufnahmesystem 3 arbeitet wie folgt :

Das Bildaufnahmesystem 3 soll die Oberfläche des Messobjekts 2 scannen. Dazu werden das Bildaufnahmesystem 3 und der Messobjektträger 4 relativ zueinander z.B. in W-Richtung (Figur 1) oder in U- und/oder V-Richtung (Figur 3) bewegt. Der dabei zurückgelegte Weg wird in Figur 2a durch eine schräg ansteigende Gerade I veranschaulicht. Es handelt sich z.B. um eine gleichförmige unbeschleunigte Bewegung, die in Figur 2 als Gerade, parallel zu der t-Achse zu sehen ist. Dieser Bewegung wird nun eine über die Leitung 10 an den Aktuator 13 bzw. den entsprechenden Aktuator des Objektivs 8 befohlene Bewegung überlagert, die in Figur 2 veranschaulicht ist. Diese Bewegung enthält Phasen II, in denen die dargestellte 'überlagerungsbewegung einen von Null verschiedenen Wert aufweist. Zwischen diesen Phasen II sind Phasen III vorhanden, in denen die überlagerungsbewegung einen entgegen gesetzten Wert aufweist. Die sich ergebende Schwingung muss nicht symmetrisch sein. Jedoch ist das Integral über ihren positiven Halbwellen gleich dem Integral über ihren negativen Halbwellen.

Die sich aus der überlagerungsbewegung V ergebende Kurve

IV für den Ort der Fokusebene 9 bzw. des Bildes überlagert sich zu einer Bewegung, in der immer wieder Phasen mit der Geschwindigkeit Null ergeben. In Figur 2a entspricht dies einer Treppenfunktion. Aus Sicht der Kamera 6 steht das Bild

B, wie in Figur 2 unten veranschaulicht, somit während Bildaufnahmeintervallen V jeweils ruhig d.h. es hat eine Geschwindigkeit von Null . Die Verarbeitungseinrichtung 14 kann darauf eingerichtet sein, die Geschwindigkeit V insbesondere in den Phasen II jeweils so zu steuern, dass in den Bildauf- nahmeintervallen V das Bild zur Ruhe kommt, d.h. die überlagerungsgeschwindigkeit während dieses Intervalls die Scangeschwindigkeit gerade kompensiert.

Die überlagerungsbewegung findet in jeder Periode in vier Phasen statt. In einer ersten Phase a wird das Bildaufnahmesystem zumindest virtuell optisch mit negativer Scangeschwindigkeit V Mess für eine Zeit t p in Scanrichtung bewegt. Die Bildaufnahme kann erfolgen.

In einer Phase b bewegt sich das Bildaufnahmesystem (virtuell) mit sinuidenfόrmiger Beschleunigung für eine Zeit t 2 bis zur Vorlaufgeschwindigkeit V v . In einer dritten Phase bewegt sich das Bildaufnahmesystem virtuell mit der Geschwin- digkeit V v für die Zeit t p in Scanrichtung (überholvorgang) . In einer vierten Phase d bewegt sich das Bildaufnahmesystem virtuell mit sinuidenförmigen Beschleunigung, wonach es sich um einen Weg TK in Scanrichtung versetzt befindet. Es kann wiederum ein Bildaufnahmeintervall beginnen. Die Sinuidenbe- wegung hat bei allen Beschleunigungs- und Bremsvorgängen die Eigenschaft, dass die Ableitungen der Geschwindigkeit V, d.h. V, V*, V" und V % " keine Sprünge enthalten. Diese Bedingung wird für alle Sinus- und Cosinusfunktionen erfüllt. Die Beschleunigungs- und Bremsphasen können symmetrisch zuein- ander sein, was einfache und überschaubare Verhältnisse schaft. Dies illustriert das nachfolgende Beispiel:

Scangeschwindigkeit V Mess = 1 mm/Sek.

Bildaufnahmefrequenz F = 100 * l/Sek., ω = 2πF

Periodendauer der Scanfrequenz TK = l/F, TK = 0,01 Sek.

Die Sinuidenfrequenz SF bestimmt die Steilheit der Beschleunigung oder Bremsung. Es wird zunächst vereinfachend davon ausgegangen, dass die Beschleunigungs- und die Bremsrampe bzw. -kurve gleich sind:

Sinuidenfrequenz SF = 200 * l/Sek., ωS = 2πSF

Periodendauer Sinuidenfrequenz TS = l/SF, TS =5*10 " 3 /Sek.

Es ergibt sich TP als Bildaufnahmezeit TP = TK - TS/2, TP = 2* 10 "3 Sek.

Die Amplitude der Sinuidenfrequenz AO = V 1 ^ 33

Es ist jedoch zweckmäßig, die Beschleunigungsrampe schneller als die Bremsrampe zu machen, weil nach der Bremsrampe der Scanvorgang beginnt und auf diese Weise für den Scanvorgang, d.h. die Bildaufnahme mehr Zeit zur Verfügung steht .

Figur 5 veranschaulicht eine etwas abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, bei der das Messsystem 3 eine überlagerungsbewegung vollführt, die mindestens eine Schwenkkomponente ül und gegebenenfalls noch eine Linearkomponente ü2 (auf das Messobjekt 2 hin und von diesem weg) vollführt. Wird das Messobjekt zum Scannen im Wesentlichen quer zu dem Messsystem 3 bewegt, kann die Kamera 6 durch eine oszillierende Schwenkbewegung ül als Ausgleichsbewegung das kamerabild wie in Fig. 2 veranschaulicht und zuvor beschrieben jeweils für ein kurzes Bildaufnahmeintervall zum stehen gebracht werden.

Der Vollständigkeit halber sein angemerkt, das das erfindungsgemäße Prinzip auch verwirklicht werden kann, indem das Messsystem 3 eine Scanbewegung und das Messobjekt die überlagerungsbewegung vollführt. Es ist bei leichten Mess- Objekten auch möglich, dem Messobjekt sowohl die Scanbewegung als auch die überlagerungsbewegung zu erteilen. Des weiteren ist es möglich, dem Messsystem sowohl die Scanbewegung als auch die überlagerungsbewegung zu erteilen und das Messobjekt in Ruhe verweilen zu lassen.

Bei einem Messsystem mit optischem Bildaufnahmesystem und Relativbewegung zwischen Messobjekt und Bildaufnähmesys- tem wird vorgesehen, den Fokuspunkt F des Bildaufnahmesystems 3 in Scanrichtung oszillieren zu lassen, um durch überlage- rung der Oszillationsbewegung des Fokuspunkts mit der Scanbewegung Bildaufnahmeintervalle zu schaffen, während derer der Fokuspunkt F auf der Oberfläche des Messobjekts 2 oder entsprechend das auf den Kamerachip 7 projizierte Bild auf dem Kamerachip 7 ruht. Dies vorzugsweise bei gleichförmiger unbe- schleunigter Relativbewegung zwischen Messobjekt und Bildaufnahmesystem. Eine Kantenunschärfe der Bilder wird trotz relativ langer Belichtungszeiten und moderaten Belichtungsintensitäten vermieden.