DE102022108474B4

DE102022108474B4 - Verfahren und Messkamera zur Messung eines Oberflächenprofils eines Objekts

Info

Publication number: DE102022108474B4
Application number: DE102022108474.4A
Authority: DE
Inventors: Aksel Göhnermeier
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2024-03-07
Anticipated expiration: 2042-04-08
Also published as: DE102022108474A1

Abstract

Verfahren zur Messung eines Oberflächenprofils eines Objekts (26, 26'), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:a) Bereitstellen einer Messkamera (24), die einen Bildsensor (36) und ein zumindest objektseitig telezentrisches Objektiv (38) aufweist, wobei das Objektiv (38) eine Objektebene (O), ein erstes optisches Teilsystem (L1), ein zweites optisches Teilsystem (L2; L21, L22), eine zwischen dem ersten optischen Teilsystem (L1) und dem zweiten optischen Teilsystem (L2; L21, L22) angeordnete Pupillenebene (42) und eine Bildebene (B) hat, in welcher der Bildsensor (36) angeordnet ist;b) Aufnehmen eines ersten Bildes von dem Objekt (26, 26'), wobei nur Licht zu dem ersten Bild beiträgt, das einen ersten Bereich (A1) der Pupillenebene (42) ausleuchtet;c) Aufnehmen eines zweiten Bildes von dem Objekt (26, 26') bei gleicher relativer Anordnung zwischen dem Objekt (26, 26') und der Messkamera (24), wobei nur Licht zu dem zweiten Bild beiträgt, das einen zweiten Bereich (A2) der Pupillenebene (42) ausleuchtet, der sich von dem ersten Bereich (A1) unterscheidet, und wobei mindestens einer der beiden Bereiche (A1, A2) nicht punktsymmetrisch bezüglich einer optischen Achse (52) des Objektivs (38) ist;d) Berechnen des Oberflächenprofils des Objekts (26, 26') bezüglich der optischen Achse (52) des Objektivs (38) aus einem lateralen Versatz zwischen Strukturen (S1, S2, S3) auf dem ersten Bild und entsprechenden Strukturen (S1, S2, S3) auf dem zweiten Bild,dadurch gekennzeichnet, dassdas zweite optische Teilsystem zwei optische Elemente (L21, L22) aufweist, die in einer Richtung senkrecht zu der optischen Achse (52) des Objektivs (38) nebeneinander angeordnet sind und den Strahlengang in zwei voneinander getrennte Teilstrahlengänge unterteilen, und dass die Schritte b) und c) gleichzeitig durchgeführt werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messkamera zur Messung eines Oberflächenprofils eines Werkstücks oder eines anderen Objekts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 6. Ein solches Verfahren und eine solche Messkamera sind aus der DE 10 2017 115 021 A1 bekannt. Unter einem Oberflächenprofil wird die Menge aller z-Koordinaten von ausgewählten Punkten mit Koordinaten (x, y) auf einer der Messkamera zugewandten Oberfläche des Objekts verstanden, wobei die z-Richtung parallel zur optischen Achse der Messkamera verläuft.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Zur Messung der Geometrie von Werkstücken werden im Stand der Technik Koordinatenmessgeräte eingesetzt. Solche Messungen finden beispielsweise im Rahmen der Qualitätssicherung oder eines sogenannten „Reverse Engineering“ statt. Die teilweise komplexen Messaufgaben werden in aller Regel auf die Messung der räumlichen Koordinaten einer Anzahl von Einzelpunkten reduziert.
Die Koordinatenmessgeräte enthalten einen Sensor, dessen Position relativ zu dem zu vermessenden Werkstück mit Hilfe von Antrieben veränderbar ist. Vor allem bei kleineren Koordinatenmessgeräten befindet sich das Werkstück auf einem Kreuztisch, der entlang zweier horizontaler Koordinatenachsen x, y mit hoher Genauigkeit verfahren werden kann. Der Sensor ist in der Regel an einer Pinole befestigt, die mit ähnlich hoher Genauigkeit vertikal (d.h. in z-Richtung) verfahren werden kann. Wenn besonders große oder schwere Werkstücke vermessen werden sollen, kommen in Portalbauweise ausgeführte Koordinatenmessgeräte zum Einsatz, bei denen das Werkstück ruht und nur der Sensor verfahren wird.
Bei den Sensoren für Koordinatenmessgeräte unterscheidet man zwischen optischen und taktilen Sensoren. Während bei taktilen Sensoren die Information über die Lage eines Messpunkts durch Berühren des Messpunkts mit einem Antastelement erzeugt wird, wird bei optischen Sensoren die Information über die Lage des Messpunkts durch Licht übertragen.
Bei einem Typ von optischen Sensoren werden die z-Koordinaten der Werkstückoberfläche mit Hilfe des Autofokusverfahrens bestimmt. Der Sensor weist hierzu eine Messkamera mit einem Objektiv und einem Bildsensor auf. Wird die Pinole mit dem daran befestigten Sensor vertikal entlang der optischen Achse des Objektivs verfahren, wird nur in einer z-Position der Messkamera eine scharfe Abbildung derjenigen Bereiche der Oberfläche des Werkstücks erzeugt, die sich auf der gleichen Höhe befinden. Außerhalb dieser Position ist der Bildsensor defokussiert, so dass diese Oberflächenbereiche auf den aufgenommenen Bildern unscharf wiedergegeben sind.
Als Kenngröße für den Schärfezustand der auf dem Bildsensor entstehenden Bilder wird in der optischen Koordinatenmesstechnik der Kontrast verwendet. Der Kontrast für einen bestimmten Punkt auf der Oberfläche des Werkstücks wird maximal, wenn sich der Punkt exakt in der Objektebene des Objektivs der Messkamera befindet. Da die Lage der Objektebene in einem Bezugssystem des Koordinatenmessgeräts mit hoher Genauigkeit bekannt ist, lässt sich der Abstand zu diesem Punkt und damit seine z-Koordinate auf diese Weise sehr genau messen. Je schneller der Kontrast abfällt, wenn der Punkt aus der Objektebene herauswandert, desto höher ist die Genauigkeit dieser Messung.
Um für ein bestimmtes Werkstück eine 3D-Koordinatenmessung nach dem Autofokusverfahren durchzuführen, muss somit eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Objektebene entlang der optischen Achse des Objektivs erzeugt werden. Hierzu kann entweder das Werkstück, die Messkamera oder beides in z-Richtung verfahren werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Lage der Objektebene durch Verschieben von einzelnen Linsen des Objektivs oder mit Hilfe eines optischen Elements mit variabler Brechkraft (z.B. einer Flüssiglinse) verändert werden. Die zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Relativbewegung aufgenommenen Bilder der Werkstückoberfläche werden gespeichert, um anschließend über die Kontrastbestimmung die 3D-Koordinaten der Werkstückoberfläche zu berechnen. Aus den Bildern, in denen bestimmte Bereiche der Werkstückoberfläche scharf wiedergegeben sind, können zusätzlich mit Hilfe von Bildverarbeitungsalgorithmen Kanten und andere Konturen bestimmt und mit den gemessenen z-Koordinaten korreliert werden.
Koordinatenmessgeräte, die nach dem vorstehend erläuterten Prinzip des Autofokusverfahrens die z-Koordinaten berechnen, werden von der Anmelderin unter der Marke ZEISS O-INSPECT vertrieben und sind beispielsweise in der DE 10 2016 202 928 A1 beschrieben.
Messkameras in derartigen optischen Sensoren sind üblicherweise zumindest objektseitig telezentrisch. Strahlenbündel, die von Punkten in der Objektebene ausgehen und von der Apertur der Messkamera aufgenommen werden, verlaufen somit parallel zur optischen Achse. Vorteilhaft sind objektseitig telezentrische Objektive in Messkameras vor allem deswegen, weil dadurch der Vergrößerungsmaßstab nicht von der Entfernung des Objekts abhängt. Ein Objekt, das sich außerhalb der Objektebene befindet, wird zwar unscharf auf die Bildebene abgebildet, aber das resultierende unscharfe Bild hat trotzdem dieselbe Größe wie das scharfe Bild, das man erhält, wenn sich das Objekt in der Objektebene befindet.
Da der Abstand zwischen dem Bildsensor und der Optik der Messkamera fixiert ist, könnte auf eine bildseitige Telezentrie grundsätzlich verzichtet werden. Trotzdem sind Messkameras in der Regel beidseitig telezentrisch, um sicherzustellen, dass Driftbewegungen des Bildsensors infolge von Temperaturschwankungen oder Alterungserscheinungen nicht zu Messfehlern führen.
Aus einem Aufsatz KIM, Jun-Sik ; KANADE, Takeo: Multiaperture telecentric lens for 3D reconstruction. In: Optics Letters, Vol. 36, 2011, No. 7, S. 1050-1052. - ISSN 0146-9592 (P); 1539-4794 (E). DOI: 10.1364/OL.36.001050. sind beidseitig telezentrische Objektive für Messkameras bekannt, bei denen in der Pupillenebene, die häufig auch als Apertur- oder Blendenebene bezeichnet wird, zusätzlich zu einer ersten Blendenöffnung auf der optischen Achse eine zweite außeraxiale Blendenöffnung vorgesehen ist. Auf diese Weise lassen sich Abstandsinformationen zwischen der Messkamera und dem Objekt bestimmen.
Die Möglichkeit, unterschiedliche Blenden in der Pupillenebene anordnen zu können und damit eine variable Pupillenfilterung zu erzielen, wird auch in anderen Messkameras gelegentlich genutzt. Die unterschiedlichen Blendenelemente sind dabei meist in einer automatischen Austauscheinheit aufgenommen, die z.B. als Revolverhalterung ausgeführt sein kann. Allerdings sind die Austauscheinheiten mechanisch aufwendig, benötigen viel Bauraum und ermöglichen keinen schnellen Wechsel der Lichtverteilung in der Pupillenebene.
Aus der US 2008/0239316 A1 ist eine Messkamera bekannt, die zum Zwecke der Pupillenfilterung ein LCD-Panel verwendet, das in der Pupillenebene angeordnet ist. Solche Panels benötigen nur wenig Bauraum und verfügen über eine Schaltgeschwindigkeit, die meist unter 5 µs liegt. LCD-Panels polarisieren das auftreffende Licht jedoch. Dies ist für bestimmte Anwendungen nachteilig und geht außerdem mit Intensitätsverlusten einher, die auf dem Bildsensor zu einem geringeren Signal-Rausch-Verhältnis und damit zu ungenaueren Messergebnissen führen können.
Aus einem Aufsatz SHEPARD, R. Hamilton [u.a.]: Optical design and characterization of an advanced computational imaging system. In: Optics and Photonics for Information Processing VIII : 18-20 August 2014, San Diego, California, United States. Bellingham, Wash. : SPIE, 2014 (Proceedings of SPIE ; 9216). Artikelnummer: 92160A (S.1-15). - ISBN 978-1-62841-243-7. DOI: 10.1117/12.2060725. ist ein Prüfstand mit einem gleichzeitig pupillen- und zeitcodierten Imager bekannt, der ein DMD (Digital Mirror Device) zum Zwecke der Pupillenapodisierung oder einen deformierbaren Spiegel für Wellenfrontcodierungsexperimente verwendet.
Die Druckschriften US 2012/0154571 A1 , DE 10 2021 118 327 A1 (nachveröffentlicht) und DE 10 2021 118 429 A1 (ebenfalls nachveröffentlicht) offenbaren optische Systeme, die ein schaltbares Filterelement in der Pupillenebene aufweisen.
Aus der JP S58-194007 A und der US 2002/ 0060793 A1 sind Vorrichtungen zur Entfernungsbestimmung bekannt, bei denen verstellbare Einrichtungen in der Pupillenebene genutzt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Messkamera anzugeben, mit denen sich ein Oberflächenprofil eines Objekts sehr schnell optisch messen lässt.
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1.
Hinter diesem Vorgehen steht die Überlegung, dass ein nicht punktsymmetrisches Beschneiden des Strahlengangs in der Pupillenebene dazu führt, dass das Bild eines defokussiert angeordneten Gegenstands in der Bildebene der Messkamera wandert. Nimmt man also zwei Bilder auf, wobei mindestens einer der beiden (nicht notwendigerweise zusammenhängenden) ausgeleuchteten Bereiche in der Pupillenebene nicht punktsymmetrisch bezüglich der optischen Achse des Objektivs ausgeleuchtet ist, so lässt sich aus dem lateralen Versatz der beiden Bilder auf die Defokussierung und damit auf die z-Position der betreffenden Punkte auf der Oberfläche des Objekts schließen. Da auch die lateralen Koordinaten der Kanten berechnet werden können, lässt sich das gesamte Oberflächenprofil des Gegenstands aus nur zwei Bildern ableiten.
Beim Aufnehmen der beiden Bilder bleibt die relative Anordnung zwischen dem Objekt und der Messkamera gleich, und auch die Lage der Objektebene wird nicht durch Verfahrvorgänge innerhalb der Messkamera verändert. Dadurch kann das Oberflächenprofil erfindungsgemäß besonders schnell gemessen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat Gemeinsamkeiten mit dem Phasenvergleichsverfahren, das in hochwertigen Fotokameras zum Autofokussieren (AF) verwendet wird. Dort werden von paarweise angeordneten und einander diametral gegenüberliegenden AF-Sensoren Bilder des Objekts aufgenommen und aus einem lateralen Versatz der Bilder die Defokussierung berechnet. Allerdings erfassen die AF-Sensoren nur sehr kleine Ausschnitte derjenigen Bilder, die anschließend vom Hauptbildsensor aufgenommen werden. Mit solchen Fotokameras lässt sich daher kein Oberflächenprofil messen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen ist es möglich, auch für große Oberflächen das Oberflächenprofil zu messen. Dass dies möglich ist, hängt damit zusammen, dass bei der erfindungsgemäßen Messkamera die Pupillenebene zwischen den beiden optischen Teilsystemen angeordnet und damit gut zugänglich ist. Dadurch kann der Lichtweg direkt in der Pupillenebene oder in deren Nähe aufgeteilt werden, ohne Abstriche bei der Größe der beiden aufgenommenen Bilder machen zu müssen. Bei Fotokameras hingegen bietet die Pupillenebene wenig Bauraum und ist nicht gut zugänglich. Außerdem kann die Blende nicht so eingestellt werden, dass mindestens einer der beiden Bereiche in der Pupillenebene nicht punktsymmetrisch bezüglich der optischen Achse des Objektivs ist. Eine vergleichbare Wirkung lässt sich bei Fotokameras nur dadurch erreichen, dass man den von den AF-Sensoren erfassten Bildausschnitt entsprechend klein wählt.
Bei Bedarf kann in Kenntnis der Defokussierung durch Verändern des Objektivs und/oder des Abstandes zwischen der Messkamera und dem Objekt der Gegenstand in die Objektebene des Objekts verfahren werden, um anschließend ein scharfes Bild zu erhalten, auf dessen Grundlage die x- und y-Koordinaten bestimmt werden können. Das Verfahren kann dazu die folgenden weiteren Schritte umfassen:

e) Bestimmen eines Steuersignals für einen Verstellvorgang auf der Grundlage des in Schritt d) berechneten Oberflächenprofils, wobei durch den Verstellvorgang der Abstand zwischen dem Objekt und der Objektebene so verändert wird, dass sich eine ausgewählte Ebene des Objekts in der Objektebene befindet;
f) Aufnehmen eines Messbildes mit Hilfe des Bildsensors, wobei zur Entstehung des Messbildes Licht beiträgt, das einen Bereich der Pupillenebene ausleuchtet, der größer ist als der erste Bereich und der zweite Bereich.

In den Teilen des so aufgenommenen Messbildes, die fokussiert abgebildet sind, können die lateralen Abmessungen besonders genau von Bildverarbeitungsalgorithmen erkannt werden. Zur erhöhten Auflösung trägt dabei die große Blendenöffnung bei, mit der das Messbild aufgenommen wurde.
Für die Messung der z-Koordinaten würde es genügen, wenn bei der Aufnahme eines Bildes die Pupillenebene punktsymmetrisch (insbesondere als Sonderfall rotationssymmetrisch) ausgeleuchtet wird und nur bei der Aufnahme des anderen Bildes ein nicht punktsymmetrischer Bereich ausgeleuchtet wird. Die Aufnahme mit der punktsymmetrischen Ausleuchtung würde dann den erforderlichen Bezugspunkt für die Versatzmessung liefern.
Eine höhere Messgenauigkeit lässt sich jedoch erzielen, wenn keiner der beiden ausgeleuchteten Bereiche punktsymmetrisch bezüglich der optischen Achse ist, einer der beiden Bereiche aber bezüglich der optischen Achse punktsymmetrisch zum jeweils anderen der beiden Bereiche ist. Auf diese Weise sind die Bilder in entgegengesetzte Richtungen um den gleichen Betrag versetzt. Somit addieren sich zwei betragsmäßig identische, aber entgegengesetzte Versatzdistanzen, was zu einem doppelt so großen Übersetzungsverhältnis zwischen Lateralversatz und Fokusversatz führt.
Erfindungsgemäß weist das zweite optische Teilsystem zwei optische Elemente auf, die in einer Richtung senkrecht zu der optischen Achse des Objektivs nebeneinander angeordnet sind und den Strahlengang in zwei voneinander getrennte Teilstrahlengänge unterteilen. Die Schritte b) und c) können dann gleichzeitig durchgeführt werden.
Die zwei optischen Elemente, die vorzugsweise eine Sammelwirkung haben und z.B. als einfache Linsen ausgebildet sein können, trennen den Strahlengang so auf, dass die beiden Bilder auf dem Bildsensor gleichzeitig und nebeneinander entstehen. Dadurch wird die Messzeit weiter verkürzt, da beide Bilder gleichzeitig aufgenommen werden können. Die Bilder haben zwar den gleichen großen Bildausschnitt, sind aber im Vergleich zu einer Variante mit einem variablen Pupillenfilter kleiner, was zu einer gewissen Einbuße bei der Bildqualität und damit auch der Messgenauigkeit führt.
Vor allem mit Blick auf die Richtungsunabhängigkeit kann es dabei vorteilhaft sein, wenn das erste optische Teilsystem nicht nur zwei, sondern drei oder insbesondere vier optische Elemente aufweist, die z.B. an den Ecken eines regelmäßigen Dreiecks bzw. eines Quadrats angeordnet sind.
In einer Weiterbildung weist die Messkamera einen weiteren Bildsensor und einen Strahlteiler auf, der zwischen dem ersten optischen Teilsystem und dem zweiten optischen Teilsystem angeordnet ist. Der Strahlteiler teilt den Strahlengang in einen zum Bildsensor führenden ersten Strahlengang und einen zum weiteren Bildsensor führenden zweiten Strahlengang auf. Mit Hilfe des weiteren Bildsensors Weise lässt gleichzeitig ein zusätzliches großes Messbild aufnehmen, das z.B. zu einer genaueren Bestimmung der Lateralabmessungen der auf den Bildern erkennbaren Strukturen herangezogen werden kann.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die eingangs gestellte Aufgabe gelöst durch eine Messkamera gemäß Anspruch 6.
Bevorzugt ist es, wenn das Objektiv außerdem bildseitig telezentrisch ist. Ein beidseitig telezentrisches Objektiv weist theoretisch keine Verzeichnung oder andere geometrische Abbildungsfehler auf.
Bezüglich der vorteilhaften Ausgestaltungen wird im Übrigen auf die Ausführungen zum Verfahren verwiesen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1: eine perspektivische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts mit einer erfindungsgemäßen Messkamera;
2: einen meridionalen Schnitt durch die in der 1 gezeigte Messkamera gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Variante, bei der in einer Pupillenebene ein LCD-Panel als variabel einstellbares Pupillenfilter angeordnet ist;
3a und 3b: einen Strahlengang in der Messkamera für zwei unterschiedliche Objektweiten;
4a und 4b: den 3a und 3b entsprechende Darstellungen für den Strahlengang bei zwei hintereinander mit der Messkamera aufgenommenen Bildern;
5a bis 5c: Blendenöffnungen bei den mit der Messkamera aufgenommenen Bildern;
6a und 6b: ein beispielhaftes Objekt in einer Draufsicht bzw. einer Seitenansicht;
7a und 7b: zwei von der Messkamera mit unterschiedlichen Blendeneinstellungen aufgenommene Bilder;
8a und 8b: den 4a und 4b entsprechende Darstellungen, bei denen anderen Blendeneinstellungen vorgenommen wurden;
9a bis 9c: Blendenöffnungen für mit der Messkamera aufgenommene Bildern gemäß den in den 8a und 8b gezeigten Blendeneinstellungen;
10: einen der 2 entsprechenden meridionalen Schnitt durch eine nicht erfidungsgemäße Messkamera gemäß einer zweiten Variante, bei der das variable Pupillenfilter als digitales Mikrospiegelarray ausgebildet ist;
11: einen den 3a und 3b entsprechenden meridionalen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Messkamera;
12: die Blendenausleuchtung bei der in der 11 gezeigten Messkamera;
13: eine Variante der in der 11 gezeigten Messkamera mit einem Strahlteiler und einem zusätzlichen Bildsensor zur gleichzeitigen Aufnahme eines Messbildes.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1. Aufbau eines Koordinatenmessgeräts
Die 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Koordinatenmessgerät. Das Koordinatenmessgerät 10 umfasst eine Basis 12, die einen Tisch 14 trägt, an dem ein Steuerpult 16 befestigt ist. Vom Tisch 14 ausgehend erstreckt sich nach oben ein Ständer 18, der eine Pinole 20 trägt. Wie durch einen Doppelpfeil 22 angedeutet ist, ist die Pinole 20 mit Hilfe eines nicht dargestellten Antriebs in vertikaler Richtung (z-Richtung) präzise verfahrbar.
An der Unterseite der Pinole 20 ist eine Messkamera 24 befestigt, mit der ein Bild von einem Werkstück 26 aufgenommen werden kann. Das Werkstück 26 ist auf einem Kreuztisch 28 befestigt, mit dem das Werkstück 26 in der horizontalen Ebene (x-Richtung und y-Richtung) präzise verfahren werden kann, wie dies in der 1 durch Pfeile 30 bzw. 32 angedeutet ist. Auf diese Weise ist es möglich, auch größere Werkstücke 26 sukzessive mit Hilfe der Messkamera 24 zu vermessen, indem das Werkstück 26 mit Hilfe des Kreuztisches 28 nach und nach in das Messfeld der Messkamera 24 eingeführt wird.
Falls noch größere oder besonders schwere Werkstücke 26 vermessen werden sollen, kann das Koordinatenmessgerät 10 auch einen anderen mechanischen Aufbau haben und beispielsweise anstelle des Kreuztisches 28 ein bewegbares Portal aufweisen, an dem die Pinole 20 befestigt ist. Auf diese Weise lässt sich die Pinole 20 nicht nur entlang der z-Richtung, sondern auch entlang der x-Richtung und y-Richtung präzise verfahren, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist. Das Werkstück 26 muss dann während der Messung nicht bewegt werden.
2. Aufbau der Messkamera
Die 2 zeigt in einem vereinfachten meridionalen Schnitt den Aufbau der Messkamera 24 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Messkamera 24 hat einen zweidimensionalen und in einer Bildebene B angeordneten Bildsensor 36, bei dem es sich um einen herkömmlichen CCD-Sensor oder CMOS-Sensor handeln kann. Zur Messkamera 24 gehört ferner ein Objektiv 38, das ein erstes optisches Teilsystem L1 und ein zweites optisches Teilsystem L2 aufweist, Die beiden optischen Teilsysteme sind in der 2 als einzelne Linsen angedeutet, können aber jeweils auch mehrere Linsen oder andere optische Elemente umfassen.
Das Objektiv 38 ist beidseitig telezentrisch, so dass die Hauptstrahlen H sowohl im Objektraum als auch im Bildraum parallel zur optischen Achse 52 des Objektivs 38 verlaufen. Dies wird im Ausführungsbeispiel dadurch bewirkt, dass die hintere Brennebene des ersten optischen Teilsystems L1 mit der vorderen Brennebene des zweiten optischen Teilsystems L2 zusammenfällt. In der 2 sind die Brennweiten der beiden optischen Teilsysteme L1 und L2 mit f₁ bzw. f₂ bezeichnet. Falls die Brennweiten f₁ und f₂ identisch sind, hat das Objektiv 38 einen 4f-Aufbau und einen Vergrößerungsmaßstab von 1:1. Infolge der beidseitigen Telezentrie ist das Bild, das von einem Objekt 26 auf dem Bildsensor 36 in der Bildebene B entsteht, verzerrungsfrei. Strukturen außerhalb der Objektebene O werden zwar weniger scharf, aber mit gleichem Vergrößerungsmaßstab abgebildet.
Die Pupillenebene 42 des Objektivs 38 befindet sich in der hinteren Brennebene des ersten optischen Teilsystems L1, die wie bereits erwähnt mit der vorderen Brennebene des zweiten optischen Teilsystems L2 zusammenfällt. In der Pupillenebene 42 ist ein variabel einstellbares Pupillenfilter in Form eines LCD-Panels 44 angeordnet. Das LCD-Panel 44 umfasst hierzu eine Vielzahl von matrixartig angeordneten Flüssigkristallzellen 46, deren Transmissionsgrad individuell zwischen einem Minimalwert in der Nähe von 0% und einem Maximalwert in der Nähe von 100% verändert werden kann. Im in der 2 dargestellten Modus sind alle Flüssigkristallzellen 46 maximal lichtdurchlässig, so dass die numerische Apertur nur vom Rand 47 des LCD-Panels begrenzt wird.
In ein Gehäuse 48 der Messkamera 24 ist eine Beleuchtungseinrichtung 50 integriert, die im dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere LEDs umfasst, die ringförmig um die optische Achse 52 des Objektivs 38 herum angeordnet sind. Die Beleuchtungseinrichtung 50 kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass sie Licht mit verschiedenen Farben und/oder aus verstellbaren Richtungen auf die Oberfläche 40 des Werkstücks 26 richten kann. Ein Beispiel für eine geeignete Beleuchtungseinrichtung 50 ist in der WO 2013/167168 A1 der Anmelderin beschrieben. Zusätzlich zur Beleuchtung in Auflicht kann eine weitere Beleuchtungseinrichtung vorgesehen sein, mit der Messlicht über einen Einkoppelspiegel in den Strahlengang der Objektiv 38 eingekoppelt wird, um das Messfeld direkt von oben und annähernd achsparallel beleuchten zu können. Bei bestimmten Ausführungen ist auch eine Beleuchtung in Durchlicht möglich.
Mit 53 ist in der 2 ein Antrieb angedeutet, mit dem sich die Pinole 20 mit der daran befestigten Messkamera 24 entlang der z-Richtung vertikal verfahren lässt, wie dies durch den Doppelpfeil 22 angedeutet ist. Da die Pinole 20 in der 2 nicht dargestellt ist, ist der Antrieb 53 so dargestellt, als greife er direkt an der Messkamera 24 an. In Wirklichkeit wirkt der Antrieb 53 jedoch auf die Pinole 20.
Der Bildsensor 36, das LCD-Panel 44, die Beleuchtungseinrichtung 50, der Antrieb 53 und der Kreuztisch 28 sind mit einer Recheneinheit 54 verbunden, die einen Speicher 55 enthält, den Messablauf in noch näher zu erläuternder Weise steuert und die vom Bildsensor 36 aufgenommenen Bilder verarbeitet.
3. Funktion
Zur Erläuterung der Funktion der Messkamera 24 wird zunächst auf die 3a und 3b Bezug genommen. Diese Figuren zeigen die wesentlichen optischen Elemente der Messkamera 24 für den Fall, dass nur eine außeraxiale Flüssigkristallzelle des LCD-Panels 44 lichtdurchlässig ist und alle anderen Flüssigkristallzellen 46 einen Transmissionsgrad von nahezu 0 % haben. Diese transparente Flüssigkristallzelle definiert einen Bereich A1, durch den Messlicht hindurchtreten kann und der somit eine Blendenöffnung darstellt.
Befindet sich die Oberfläche des mit durchgezogenen Linien angedeuteten Objekts 26 in der Objektebene O, so ist das auf dem Bildsensor 36 entstehende Bild der Oberfläche bezüglich der optischen Achse 52 zentriert, wie dies in der 3a mit durchgezogenen Linien angedeutet ist. Für den Fall eines außerhalb der Objektebene O angeordneten Objekts 26' durchsetzen die Lichtstrahlen den Bereich A1 nicht parallel zur optischen Achse 52, sondern geneigt dazu. Dadurch kommt es zu einem lateralen Versatz des Bildes um die Distanz d₁, wie dies in der 3a durch den gestrichelt angedeuteten Strahlenverlauf angedeutet ist. Ein Vergleich der 3a und 3b zeigt ferner, dass der laterale Versatz umso größer wird (d.h. d₂ > d₁), je weiter das Objekt 26' von der Objektebene O entfernt ist (Δz₂ > Δz₁).
Bei dem in den 3a und 3b gezeigten Fall ist die Objektweite des Objekts 26' größer als die Brennweite f₁ des ersten optischen Teilsystems L1, in der sich die Objektebene O befindet. Ist die Objektweite hingegen kleiner als die Brennweite f₁, so entsteht das Bild mit einem lateralen Versatz in der entgegengesetzten Richtung. Die Richtung, in welcher der Versatz stattfindet, wird außerdem durch den Ort des transparenten Bereichs A1 (Blendenöffnung) festgelegt, der im dargestellten Ausführungsbeispiel durch das LCD-Panel 44 festgelegt wird. Die Richtung des lateralen Versatzes d der Bilder auf dem Bildsensor 36 liegt in einer Ebene, die von dem Bereich A1 (Blendenöffnung) und der optischen Achse 52 aufgespannt wird.
Es lässt sich zeigen, dass für kleine numerische Aperturen NA des Objektivs 38 ein linearer Zusammenhang zwischen dem lateralen Versatz d einerseits und dem axialen Abstand zwischen dem Objekt 26 und der Objektebene O andererseits besteht, der im Folgenden als Defokussierung Δz bezeichnet wird. Dieser Zusammenhang wird genutzt, um den axialen Abstand von Strukturen auf dem Objekt 26 zur bekannten Lage der Objektebene O zu messen.
Die 4a und 4b illustrieren ein Ausführungsbeispiel für einen Messvorgang in an die 3a und 3b angelehnten Darstellungen.
In einem ersten Schritt wird ein erstes Bild von dem Objekt 26 aufgenommen, wobei nur Licht zu dem ersten Bild beiträgt, einen ersten außeraxialen Bereich A1 der Pupillenebene 42 ausleuchtet. Die Recheneinheit 54 steuert hierzu das LCD-Panel 44 so an, dass nur ein kleiner streifenförmiger außeraxialer Bereich A1 vom Messlicht durchtreten werden kann. Der Bereich A1 ist in der 5a gezeigt, der eine Draufsicht auf das LCD-Panel 44 zeigt. Alle Strukturen auf dem Objekt 26 mit der gleichen Defokussierung Δz sind auf dem aufgenommenen Bild um den Betrag d lateral versetzt. Strukturen mit einer anderen Defokussierung sind um einen entsprechenden anderen Betrag lateral versetzt.
In einem zweiten Schritt wird ein zweites Bild von dem Objekt 26 bei gleicher relativer Anordnung zwischen dem Objekt 26 und der Messkamera 24 aufgenommen. Zu dem zweiten Bild trägt nur Messlicht bei, das einen zweiten Bereich A2 in der Pupillenebene 42 ausleuchtet, der sich von dem ersten Bereich A1 unterscheidet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zweite Bereich A2 punktsymmetrisch bezüglich der optischen Achse zum ersten Bereich A1 angeordnet, wie dies ein Vergleich der 5a und 5b zeigt.
Alle Strukturen auf dem Objekt 26 mit der gleichen Defokussierung Δz sind auf dem zweiten Bild um den Betrag d lateral versetzt, aber nun in die entgegengesetzte Richtung, vgl. 4b. Ein Abgleich der beiden Bilder führt somit zu einem lateralen Abstand der auf den Bildern erkennbaren Strukturen gleicher Defokussierung um den Betrag 2d, aus dem sich der Wert für die Defokussierung Δz ergibt.
Die 6a, 6b sowie 7a, 7b illustrieren diesen Zusammenhang anhand eines einfachen Beispiels. Die 6a und 6b zeigen in einer Draufsicht bzw. in einer Seitenansicht ein einfach aufgebautes Objekt 26. Das Objekt 26 sei aus drei quaderförmigen Riegeln R1, R2 und R3 zusammengesetzt, die unterschiedlich gestalteten Oberflächen S1, S2 bzw. S3 (vgl. 6a) und unterschiedliche Abmessungen in z- und x-Richtung haben.
Unterstellt wird nun, dass das Objekt 26 so der Messkamera 24 zugestellt wird, dass sich die Oberfläche S3 des Riegels R3 genau in der Objektebene O der Messkamera 24 befindet, wie dies in der 6b angedeutet ist. Die Oberfläche S1 des Riegels R1 ist dann näher an der Messkamera 24 und die Oberfläche S2 des Riegels R2 weiter weg von der Messkamera 24 angeordnet.
Die 7a und 7b zeigen die beiden Bilder des Objekts 26, wie sie mit der Messkamera 24 in der vorstehend beschriebenen Weise aufgenommen werden. Da die Oberfläche S3 sich in der Objektebene O befindet, erscheint sie ohne lateralen Versatz auf den beiden Bildern.
Die Oberfläche S1 befindet sich näher an der Messkamera 24 und wird deswegen in dem einen Bild nach links und in dem anderen Bild nach rechts versetzt abgebildet, wie dies die 7a und 7b illustrieren. Bei der Oberfläche S2 des Riegels R2, der weiter weg von der Messkamera 24 angeordnet ist, sind die Bilder der Oberfläche S2 in entgegengesetzte Richtungen versetzt und zudem um einen kleineren Betrag, da der Abstand der Oberfläche S2 zur Objektebene O betragsmäßig kleiner ist als bei der Oberfläche S1.
Die Recheneinheit 54 kann aus den Bildern gemäß den 7a und 7b das Objekt 26 vollständig rekonstruieren und insbesondere die z-Koordinaten der Oberflächen S1, S2 und S3 aus dem jeweiligen Versatz ableiten, mit dem die Oberflächen S1, S2 und S3 auf den beiden Bildern erscheinen.
Aus diesem Beispiel wird zudem deutlich, dass für die Bildverarbeitungsalgorithmen die Oberflächen S1, S2 und S3 in der Regel identifizierbar sein müssen. Insbesondere sollten Strukturen auf den Oberflächen S1, S2, S3 in einem Winkel zur Versatzrichtung verlaufen, da es ansonsten schwierig oder unmöglich sein kann, den Versatz der Abbilder der Strukturen auf den beiden aufgenommenen Bildern zu erkennen.
Das Erfordernis der Erkennbarkeit kann es erforderlich machen, die Lage der transparenten Bereiche A1, A2 in der Pupillenebene 42 an die Orientierung der Strukturen auf der Oberfläche des Objekts 26 anzupassen.
In vielen Fällen kann eine individuelle Anpassung vermieden werden, wenn nicht zwei, sondern vier Bilder des Objekts 26 aufgenommen werden. Bei den beiden zusätzlichen Bildern sind die Blendenöffnungen A1 und A2 in einer Weise angeordnet, wie sie durch Verdrehen der in den 5a und 5b gezeigten Anordnung um jeweils 90° erhalten werden. Die Abbilder der Oberflächen S1, S2, S3 des in den 6a und 6b gezeigten Objekts 26 würden dann bei diesen beiden zusätzlichen Bildern nicht wie in den 7a und 7b gezeigt entlang der x-Richtung, sondern entlang der y-Richtung versetzt.
4. Varianten und weitere Ausführungsbeispiele
Die 8a und 8b zeigen in an die 4a und 4b angelehnten Darstellungen eine Variante, bei der die Blendenöffnungen A1 und A2, die für das erste bzw. für das zweite Bild gewählt werden, nicht zueinander punktsymmetrisch bezüglich der optischen Achse 52 sind. Stattdessen wird bei einem Bild eine rotationssymmetrische Blendenöffnung A1 verwendet, wie sie in der 9a illustriert ist. Die Strukturen auf dem Objekt 26 werden daher ohne lateralen Versatz, d h. zentriert zur optischen Achse 52, abgebildet.
Das andere Bild wird mit einer Blende A2 aufgenommen, die bezüglich der optischen Achse 52 nicht punktsymmetrisch zur Blende A1 angeordnet ist, wie dies die 9b illustriert. Der Versatz von Strukturen gleicher Defokussierung auf den beiden Bildern beträgt bei dieser Variante jedoch nur d und nicht 2d, was sich nachteilig auf die Messgenauigkeit auswirkt.
Die Messkamera 24 ermöglicht es, ein zusätzliches Messbild aufzunehmen, das mit einem größeren oder maximal großen transparenten Bereich A3 (Blendenöffnung) und entsprechend geringer Tiefenschärfe aufgenommen wird, wie dies die 5c und 9c illustrieren. Ein solches zusätzliches Messbild hat aufgrund der großen Blendenöffnung eine höhere Auflösung als die Bilder, die mit den in den 5a, 5b sowie 9a und 9b gezeigten Blendenöffnungen aufgenommen wurden. Auf einem solchen zusätzlichen Messbild können die lateralen Abmessungen der Strukturen auf dem Objekt 26' noch genauer erfasst werden. Zur Erzeugung des zusätzlichen Messbildes muss lediglich das LCD-Panel 44 entsprechend von der Recheneinheit 54 angesteuert werden. Die Reihenfolge, in der die Bilder aufgenommen werden, spielt keine Rolle.
Aufgrund der geringeren Tiefenschärfe werden auf dem Messbild nur diejenigen Strukturen scharf abgebildet, die sich in der Objektebene O befinden. Auf der Grundlage des gemessenen Oberflächenprofils ist es jedoch möglich, Steuersignale für einen Verstellvorgang zu berechnen, mit dem der Abstand zwischen dem Objekt 26 und der Objektebene O so verändert wird, dass sich eine beliebige ausgewählte Ebene des Objekts 26 in der Objektebene O befindet. Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der Verstellvorgang von dem auf die Pinole 20 wirkenden Antrieb 53 durchgeführt. Durch diese Autofokussierung können diejenigen Strukturen, die sich nach dem Verstellvorgang in der Objektebene O befinden, scharf abgebildet und mithilfe von Bildverarbeitungsalgorithmen vermessen werden. Insbesondere ist es möglich, mehrere Messbilder hintereinander in unterschiedlichen Objektabständen aufzunehmen.
Die 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Messkamera 24 anstelle eines LCD-Panels 44 ein Mikrospiegelarray 44' enthält, das ebenfalls in der Pupillenebene 42 angeordnet ist. Zu diesem Zweck weist die Messkamera 24 einen zusätzlichen Umlenkspiegel 63 auf, so dass der Strahlengang durch Reflektion am Umlenkspiegel 63 und dem Mikrospiegelarray 44' zwei Mal um jeweils um 90° umgelenkt wird.
Das Mikrospiegelarray 44' weist mehrere Mikrospiegel 64 auf, wobei jeder Mikrospiegel 64 eine aktive Stellung hat, in der auftreffendes Licht um 90° umgelenkt und dadurch in Richtung des Bildsensors 36 gerichtet wird. In einer inaktiven Stellung wird auftreffendes Licht um einen so großen Winkel abgelenkt, dass es nicht auf den Bildsensor 36, sondern auf einen Lichtabsorber 65 fällt. Durch gezieltes Verstellen der Mikrospiegel 64 lassen sich ähnlich wie mit dem LCD-Panel 44 die Blendenöffnungen (Bereiche A1, A2 und A3) in weiten Grenzen beliebig festlegen und innerhalb weniger Mikrosekunden verändern.
Die 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem sich die Blendenöffnungen nicht variabel verändern lassen. Das zweite optische Teilsystem L2 ist bei diesem Ausführungsbeispiel durch zwei Unterteilsysteme ersetzt, die durch kleinere Einzellinsen L21, L22 gleicher Brechkraft angedeutet sind. Die beiden Unterteilsysteme L21, L22 sind in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse 52 nebeneinander angeordnet und unterteilen den Strahlengang in zwei voneinander getrennte Teilstrahlengänge. Wie in der 12 mit gestrichelten Linien angedeutet ist, durchsetzt das Licht eines jeden Teilstrahlengangs nur einen außeraxialen Bereich A1 bzw. A2 in der Pupillenebene 42, wobei die Bereiche A1 und A2 punktsymmetrisch bezüglich der optischen Achse 52 angeordnet sind. Dadurch wird ein ähnlicher Effekt erzielt wie bei dem in den 4a und 4b gezeigten Ausführungsbeispiel. Auf dem Bildsensor 36 entstehen somit zwei Bilder, die bezüglich der jeweiligen optischen Achse der Unterteilsysteme L21, L22 in entgegengesetzte Richtungen um den Betrag d versetzt sind. Aus dem Versatz d lässt sich Defokussierung Δz berechnen.
Vorteilhaft bei diesem Ausführungsbeispiel ist, dass die beiden Bilder gleichzeitig auf dem Bildsensor 36 entstehen, was zu einer weiteren Verkürzung der Messzeit führt. Dafür lassen sich bei diesem Ausführungsbeispiel die Blendenöffnungen nicht variabel festlegen und insbesondere nicht an die Orientierung von Strukturen auf dem Objekt 26 anpassen, wie dies bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeilen der Fall ist.
Um eine möglichst weitgehende Unabhängigkeit von den Strukturrichtungen auf dem Objekt zu erlangen, können anstelle von zwei Linsen L21, L22 auch vier oder mehr Linsen in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse 52 nebeneinander angeordnet werden. Vier Linsen können zum Beispiel so angeordnet sein, dass die Linsenmittelpunkte auf den Ecken eines gedachten Quadrats zum Liegen kommen.
Es versteht sich, dass anstelle von einzelnen Linsen L21, L22 auch komplexere optische Teilsysteme mit jeweils mehreren optischen Elementen eingesetzt werden können.
Ein zusätzliches Messbild mit weiter oder maximal geöffneter Blende lässt sich mit der in der 11 gezeigten Messkamera 24 allerdings nicht erzeugen.
Die 13 zeigt eine Variante des in der 11 gezeigten Aufbaus, bei der in der Nähe der Pupillenebene 42 - und damit zwischen dem ersten optischen Teilsystem L1 und den beiden Linsen L21, L22 des zweiten optischen Teilsystems - ein Strahlteiler 70 angeordnet ist. Der Strahlteiler 70 teilt den Strahlengang in einen zum Bildsensor 36 führenden ersten Strahlengang und einen zu einem weiteren Bildsensor 36' führenden zweiten Strahlengang auf. Der zweite Bildsensor 36' ist dafür vorgesehen, gleichzeitig mit den vom Bildsensor 36 aufgenommenen versetzten Bildern ein Messbild mit größerer numerischer Apertur aufzunehmen.

Claims

Verfahren zur Messung eines Oberflächenprofils eines Objekts (26, 26'), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen einer Messkamera (24), die einen Bildsensor (36) und ein zumindest objektseitig telezentrisches Objektiv (38) aufweist, wobei das Objektiv (38) eine Objektebene (O), ein erstes optisches Teilsystem (L1), ein zweites optisches Teilsystem (L2; L21, L22), eine zwischen dem ersten optischen Teilsystem (L1) und dem zweiten optischen Teilsystem (L2; L21, L22) angeordnete Pupillenebene (42) und eine Bildebene (B) hat, in welcher der Bildsensor (36) angeordnet ist; b) Aufnehmen eines ersten Bildes von dem Objekt (26, 26'), wobei nur Licht zu dem ersten Bild beiträgt, das einen ersten Bereich (A1) der Pupillenebene (42) ausleuchtet; c) Aufnehmen eines zweiten Bildes von dem Objekt (26, 26') bei gleicher relativer Anordnung zwischen dem Objekt (26, 26') und der Messkamera (24), wobei nur Licht zu dem zweiten Bild beiträgt, das einen zweiten Bereich (A2) der Pupillenebene (42) ausleuchtet, der sich von dem ersten Bereich (A1) unterscheidet, und wobei mindestens einer der beiden Bereiche (A1, A2) nicht punktsymmetrisch bezüglich einer optischen Achse (52) des Objektivs (38) ist; d) Berechnen des Oberflächenprofils des Objekts (26, 26') bezüglich der optischen Achse (52) des Objektivs (38) aus einem lateralen Versatz zwischen Strukturen (S1, S2, S3) auf dem ersten Bild und entsprechenden Strukturen (S1, S2, S3) auf dem zweiten Bild, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische Teilsystem zwei optische Elemente (L21, L22) aufweist, die in einer Richtung senkrecht zu der optischen Achse (52) des Objektivs (38) nebeneinander angeordnet sind und den Strahlengang in zwei voneinander getrennte Teilstrahlengänge unterteilen, und dass die Schritte b) und c) gleichzeitig durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Bild und das zweite Bild einen sich überlappenden und insbesondere den gleichen Bildausschnitt haben.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem keiner der beiden Bereiche (A1, A2) punktsymmetrisch bezüglich der optischen Achse (52) ist, einer der beiden Bereiche (A1) aber bezüglich der optischen Achse (52) punktsymmetrisch zum jeweils anderen (A2) der beiden Bereiche ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Kamera aufweist: einen weiteren Bildsensor (36'), einen Strahlteiler (70), der zwischen dem ersten optischen Teilsystem (L1) und dem zweiten optischen Teilsystem (L2, L21, L22) angeordnet ist, wobei der Strahlteiler den Strahlengang in einen zum Bildsensor (36) führenden ersten Strahlengang und einen zum weiteren Bildsensor (36') führenden zweiten Strahlengang aufteilt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden weiteren Schritte: e) Bestimmen eines Steuersignals für einen Verstellvorgang auf der Grundlage des in Schritt d) berechneten Oberflächenprofils, wobei durch den Verstellvorgang der Abstand zwischen dem Objekt (26, 26') und der Objektebene (O) so verändert wird, dass sich eine ausgewählte Ebene des Objekts (26, 26') in der Objektebene (O) befindet; f) Aufnehmen eines Messbildes mit Hilfe des Bildsensors (36; 36'), wobei zur Entstehung des Messbildes Licht beiträgt, das einen Bereich (A3) der Pupillenebene ausleuchtet, der größer ist als der erste Bereich (A1) und der zweite Bereich (A2).
Messkamera (24) zur Messung eines Oberflächenprofils eines Objekts (26, 26'), wobei die Messkamera (24) aufweist: einen Bildsensor (36), ein zumindest objektseitig telezentrisches Objektiv (38), wobei das Objektiv (38) eine Objektebene (O), ein erstes optisches Teilsystem (L1), ein zweites optisches Teilsystem (L2; L21, L22), eine zwischen dem ersten optischen Teilsystem (L1) und dem zweiten optischen Teilsystem (L2; L21, L22) angeordnete Pupillenebene (42) und eine Bildebene (B) hat, in welcher der Bildsensor (36) angeordnet ist, eine Auswerteeinrichtung (54), die dazu eingerichtet ist, das Oberflächenprofil des Objekts bezüglich der optischen Achse (52) des Objektivs (38) aus einem lateralen Versatz (d) zwischen Strukturen auf einem ersten Bild und entsprechenden Strukturen auf einem zweiten Bild zu berechnen, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkamera ferner zwei optische Elemente (L21, L22) aufweist, die Teil des zweiten optischen Teilsystems und in einer Richtung senkrecht zu einer optischen Achse (52) des Objektivs (38) nebeneinander angeordnet sind und den Strahlengang in zwei voneinander getrennte Teilstrahlengänge unterteilen, und dass das erste Bild mit dem ersten Teilstrahlengang und das zweite Bild mit dem zweiten Teilstrahlengang aufgenommen werden.
Messkamera nach Anspruch 6, die ferner aufweist einen weiteren Bildsensor (36'), einen Strahlteiler (70), der zwischen dem ersten optischen Teilsystem (L1) und dem zweiten optischen Teilsystem (L2, L21, L22) angeordnet ist, wobei der Strahlteiler (70) den Strahlengang in einen zum Bildsensor (36) führenden ersten Strahlengang und einen zum weiteren Bildsensor (36') führenden zweiten Strahlengang aufteilt.