DE102004047928B4 - Optical 3D measuring method and measuring device - Google Patents

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DE102004047928B4 DE200410047928 DE102004047928A DE102004047928B4 DE 102004047928 B4 DE102004047928 B4 DE 102004047928B4 DE 200410047928 DE200410047928 DE 200410047928 DE 102004047928 A DE102004047928 A DE 102004047928A DE 102004047928 B4 DE102004047928 B4 DE 102004047928B4
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures

Abstract

Verfahren zum dreidimensionalen berührungslosen optischen Vermessen von Objektoberflächen (1) mittels eines optischen Bildsensors (3) für in zwei Richtungen x und y ausgedehnte und somit zweidimensionale Bilder, der in einem in einer dritten Richtung z gemessenen Abstand eine Fokusfläche (Fz) festlegt und eine geringe Tiefenschärfe aufweist, bei welchem Verfahren
– ein eine Serie von Bildern (B(z)) umfassender Bildstapel (11) erzeugt wird, dessen Bilder (B(z)) in unterschiedlichen z-Positionen der Fokusfläche (Fz) aufgenommen worden sind,
– sowohl die x- und y-Koordinaten als auch die z-Koordinate eines Oberflächenpunkts unter Heranziehung der aufgenommenen Bilder (B(z)) des Bildstapels (11) bestimmt werden, wobei aus den Kontrastwerten K einander entsprechender Pixel (P(x0, y0)) der Bilder (B(z)) eine Kontrastverlaufsfunktion K(x0, y0, z) als kontinuierliche Funktion gebildet und ein Maximum der Kontrastverlaufsfunktion K(x0, y0, z) ermittelt wird,
– aus den Grauwerten einander entsprechender Pixel ein Grauwertverlauf G(x0, y0, z) als kontinuierliche Funktion bestimmt und derjenige Grauwert in...Method for the three-dimensional non-contact optical measurement of object surfaces (1) by means of an optical image sensor (3) for two-dimensional and thus two-dimensional images, which defines a focus area (F z ) in a distance measured in a third direction z and a Shallow depth of field, in which method
A picture stack (11) comprising a series of pictures (B (z)) is produced whose pictures (B (z)) have been recorded in different z-positions of the focus area (F z ),
Both the x and y coordinates and the z coordinate of a surface point are determined using the recorded images (B (z)) of the image stack (11), where from the contrast values K corresponding pixels (P (x 0 , y 0 )) of the images (B (z)) a contrast progression function K (x 0 , y 0 , z) is formed as a continuous function and a maximum of the contrast progression function K (x 0 , y 0 , z) is determined,
A gray value curve G (x 0 , y 0 , z) is determined as a continuous function from the gray values of mutually corresponding pixels and the gray value in ...

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Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren und eine Messeinrichtung zur 3D-Vermessung räumlicher Objektoberflächen.The The invention relates to a measuring method and a measuring device for 3D measurement of spatial object surfaces.

Optische Sensoren, insbesondere 2D-Sensoren, eignen sich zur zweidimensionalen Objektvermessung. Sie erzeugen ein zweidimensionales Bild, in dem durch Kantenfinderroutinen Objektkanten identifizierbar sind. Die Pixelpositionen der Kanten sind den X-, Y-Positionen der Kantenpunkte direkt zuzuordnen.optical Sensors, in particular 2D sensors, are suitable for the two-dimensional Object measurement. They create a two-dimensional image in which can be identified by edge finder routines object edges. The Pixel positions of the edges are the X, Y positions of the edge points to assign directly.

Häufig wird zusätzlich die Z-Koordinate einzelner Punkte der Objektoberfläche oder der gesamten Objektoberfläche gesucht. Dazu ist es beispielsweise aus der EP 0 330 901 A1 bekannt, in den Strahlengang einer Kamera einen Laserstrahl einzuspiegeln, der auf einen Oberflächenpunkt fokussiert wird. Das von dem Laserstrahlauftreffpunkt rück gestreute Licht wird wiederum von dem Objektiv erfasst und ausgewertet. Das Verfahren ist ein Verfahren der konfokalen Mikroskopie. Durch Z-Verstellung des Objektivs wird die Objektoberfläche in den Brennpunkt des Laserstrahls verfahren. Wird der Brennpunkt erreicht wird dies durch eine entsprechende Auswerteeinrichtung signalisiert, die daraus den Z-Wert des Messpunkts bestimmt.Frequently, the Z coordinate of individual points of the object surface or of the entire object surface is additionally searched for. This is for example from the EP 0 330 901 A1 it is known to mirror in the beam path of a camera a laser beam which is focused on a surface point. The backscattered by the laser beam incident light is in turn detected by the lens and evaluated. The method is a confocal microscopy method. By Z-adjustment of the lens, the object surface is moved into the focal point of the laser beam. If the focal point is reached, this is signaled by a corresponding evaluation device, which determines therefrom the Z value of the measuring point.

Die Bestimmung des Z-Werts kann hier nur für einen auf der optischen Achse liegenden Messpunkt durchgeführt werden.The Determination of the z-value can only be done here for one on the optical axis lying measuring point performed become.

Aus der DE 199 54 684 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen von Oberflächen eines Messobjekts bekannt, wobei ebenfalls nach dem Prinzip der konfokalen Mikroskopie gearbeitet wird. Der Sensorkopf unterliegt dabei einer in Z-Richtung orientierten schwingenden Bewegung, wobei seine Position zugleich mittels mechanischer Messmittel überwacht wird.From the DE 199 54 684 A1 For example, a method and a device for measuring surfaces of a measurement object are known, whereby the principle of confocal microscopy is also used. The sensor head is subject to an oscillating motion oriented in the Z direction, its position being simultaneously monitored by means of mechanical measuring means.

Des Weiteren ist aus der DE 102 54 435 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Kantenerkennung mit Z-Höhenjustierung bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein so genannter Bildstapel, d. h. eine Reihe von in unterschiedlichen Abständen zu der Objektoberfläche aufgenommenen Bildern erzeugt. Zur Durchführung von Kantenfinderroutinen werden zunächst Randpunkte ausgesucht, wobei dann aus dem Bildstapel diejenigen Bilder ausgewählt werden, bei denen die Randpunkte die maximalen Kontrastwerte im Vergleich zu anderen Bildern des Stapels aufweisen. Für die folgende Randdetektion wird entweder die Halterung des Messkopfs oder des Prüfobjekts zu der Z-Position physikalisch bewegt bis der maximale Kontrast erhalten wird, um ein neues Bild für die nachfolgende Randdetektion zu erhalten oder es wird einfach dasjenige Bild aus dem Bildstapel gewählt, das der zu berechnenden Z-Position am nächsten liegt.Furthermore, from the DE 102 54 435 A1 a method and apparatus for three-dimensional edge detection with Z-height adjustment known. In this method, a so-called image stack, ie a series of images taken at different distances to the object surface is generated. For performing edge finder routines, edge points are first selected, in which case those images are selected from the image stack in which the edge points have the maximum contrast values in comparison to other images of the stack. For the following edge detection, either the holder of the measuring head or of the test object is moved to the Z position until the maximum contrast is obtained, in order to obtain a new image for the subsequent edge detection, or simply the image from the image stack which is selected closest to the Z position to be calculated.

Des Weiteren ist aus der Praxis ( DE 199 44 516 A1 ) in Verfahren bekannt, bei dem Einzelbilder des Bildstapels zu einem Ergebnisbild mit virtueller Tiefenschärfe verknüpft werden. Dies ist erforderlich, wenn die Bildaufnahmeeinrichtung keine nennenswerte oder keine ausreichende Tiefenschärfe ausreicht. Hierzu werden in jedem Bild je Pixel der Kontrast bestimmt. Es werden die Kontrastwerte der korrespondierenden Pixel Bild für Bild verglichen und jeweils der Grauwert des korrespondierenden Pixels mit dem höchsten Kontrastwert in das Ergebnisbild eingetragen. Somit werden die scharf abgebildeten Bereiche der einzelnen Bilder in das Ergebnisbild übernommen. Das Ergebnisbild gleicht somit der Abbildung eines Objektivs mit einer Tiefenschärfe über den gesamten Bereich der optischen Achse des Bildstapels. Wird ein telezentrisches Objektiv verwendet, erhält man eine 2D-Projektion des kompletten Bildstapels.Furthermore, from practice ( DE 199 44 516 A1 ) in methods in which individual images of the image stack are combined to form a result image with virtual depth of focus. This is necessary if the image pickup device is insufficient or insufficient depth of field sufficient. For this purpose, the contrast is determined in each image per pixel. The contrast values of the corresponding pixels are compared image by image and the gray value of the corresponding pixel with the highest contrast value is entered in the resulting image in each case. Thus, the sharply displayed areas of the individual images are taken over into the result image. The result image thus resembles the image of a lens with a depth of field over the entire area of the optical axis of the image stack. If a telecentric lens is used, a 2D projection of the complete image stack is obtained.

Die oben beschriebenen Verfahren liefern nur eine beschränkte Tiefeninformation je Pixel. Diese ist für das gesamte komplette Bild konstant. Bei dem letztgenannten Verfahren wird Tiefeninformation gezielt unterdrückt.The The methods described above provide only limited depth information each pixel. This is for the entire picture is constant. In the latter method Deep information is deliberately suppressed.

Aus der DE 101 49 357 A1 ist ein Verfahren zum Vermessen räumlicher Körper mittels einer Kamera bekannt, die eine geringe Tiefenschärfe aufweist und Fokusebenen festlegt. Es werden mehrere in Z-Richtung voneinander beabstandete Bilder aufgenommen und aus diesen jeweils diejenigen Bereiche herausgesucht, die einen ausreichenden Kontrast haben. Aus den verschiedenen kontrastreichen Teilen, der ansonsten unscharfen Bilder, wird synthetisch ein Bild zusammengesetzt, das virtuell tiefenscharf ist.From the DE 101 49 357 A1 For example, a method for measuring spatial bodies by means of a camera is known, which has a small depth of field and defines focal planes. Several images spaced apart from one another in the Z direction are taken and from those regions which have sufficient contrast are selected. From the different high-contrast parts, the otherwise blurred images, synthetically a picture is assembled, which is virtually deep-focused.

Die US 5 151 609 A offenbart ein ähnliches Verfahren, bei dem den einzelnen Fokusebenen Z-Messwerte zugeordnet sind. Darüber hinaus werden die Kontrastwerte zwischen den aufgenommenen Bildern interpoliert und dem betreffenden Bildpunkt der Z-Wert zugeordnet, bei dem die Kontrastfunktion ihr Maximum hat. Die DE 100 30 809 A1 offenbart ein ähnliches Verfahren.The US 5,151,609 A discloses a similar method in which Z readings are assigned to the individual focal planes. In addition, the contrast values between the recorded images are interpolated and assigned to the pixel concerned the Z value at which the contrast function has its maximum. The DE 100 30 809 A1 discloses a similar method.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbesserten Verfahren zur dreidimensionalen berührungslosen optischen Vermessung von Objektoberflächen zu schaffen.From that Based on the object of the invention, an improved method to the three-dimensional non-contact to create optical measurement of object surfaces.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst:
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels eines optischen Bildsensors, der flächenhafte Bilder liefert, ein Bildstapel aufgenommen. Die Einzelbilder des Bildstapels. sind in Z-Richtung voneinander beabstandet. Der Abstandswert ist vorzugsweise etwa so groß wie die Tiefenschärfe des Bildsensors bzw. seines Objektivs. Um eine große Z-Auflösung zu erhalten, ist die Tiefenschärfe vorzugsweise sehr gering. Sie kann praktischerweise im Bereich von einigen Mikrometern liegen. Soll beispielsweise eine Tiefenauflösung von 3 μm erreicht werden, darf bei Abständen der Objektoberfläche von der Fokusebene von größer 3 μm keine Scharfabbildung mehr erfolgen. Zumindest aber muss der erfassbare Bildkontrast bei der hier beispielhaft gewählten 3-μm-Auflösung bei einem 3-μm-Abstand zwischen Fokusfläche und Objektpunkt messbar zurückgegangen sein.This object is achieved by the method according to claim 1:
In the method according to the invention, an image stack is recorded by means of an optical image sensor which provides areal images. The single pictures of the picture stack. are spaced apart in the Z direction. The distance value is preferably approximately as large as the depth of field of the image sensor or its objective. In order to obtain a large Z-resolution, the depth of field is preferably very low. It can conveniently be in the range of a few microns. If, for example, a depth resolution of 3 μm is to be achieved, sharp-focus imaging may no longer be performed at distances of the object surface from the focal plane of greater than 3 μm. At least, however, the detectable image contrast in the 3 μm resolution selected here by way of example must be measurably reduced at a 3 μm distance between the focus surface and the object point.

Die Bilder des Bildstapels enthalten die gesamte Information über die 3D-Koordinaten der gesamten vermessenen Objektoberfläche. Die Auflösung wird in Lateralrichtung (X und Y) nur durch die Auflösung des Bildsensors bestimmt. In Z-Richtung wird die Auflösung nur durch die Anzahl der aufgenommenen Bilder und die Tiefenschärfe des Objektivs begrenzt. Sie ist umso höher je geringer die Tiefenschärfe ist.The Images of the image stack contain all the information about the 3D coordinates of the entire measured object surface. The resolution is in the lateral direction (X and Y) only by the resolution of the Image sensor determined. In Z-direction the resolution is only by the number of pictures taken and the depth of field of the picture Lens limited. It is the higher the lower the depth of field.

Zur Durchführung des Verfahrens werden aus den einzelnen Bildern des Bildstapels jeweils diejenigen Pixel herausgesucht, die scharf abgebildet sind. Dies sind in jedem Bild nur diejenigen Pixel bei denen eine abgebildete Kante oder Fläche im Rahmen der durch die Tiefenschärfe vorgegebenen Ungenauigkeit in der Fokusebene liegt. Alle anderen Bereiche der Objektoberfläche sind unscharf und weisen somit keinen nennenswerten lokalen Kontrast auf. Somit kann durch die Auswertung der Schärfeinformation der einzelnen Bilder des Bildstapels die gesuchte Tiefeninformation gewonnen werden. Mit einem einzigen Messdurchlauf wird die zu vermessende Objektoberfläche somit präzise vermessen.to execution of the procedure will be from the individual pictures of the picture stack in each case selected those pixels that are in focus. These are in each image only those pixels where a mapped Edge or surface in the context of the inaccuracy given by the depth of field lies in the focal plane. All other areas of the object surface are blurred and thus have no significant local contrast. Thus, by evaluating the sharpness information of the individual Pictures of the image stack the sought depth information can be obtained. With a single measurement run, the object surface to be measured thus becomes precise measured.

Nach einer Ausführungsform des Verfahrens wird mit nicht ebenen Fokusflächen gearbeitet. Hierzu muss lediglich bekannt sein, welcher Z-Abstand eines jeden Rasterpunkts eines gedachten, die Fokusfläche überziehenden Rasters zu einer scharfen Abbildung führt. Der Vorzug dieser Ausführungsform liegt in der Möglichkeit der Verwendung vereinfachter oder verbilligter Objektive, bzw. in einer Erhöhung der Messgenauigkeit.To an embodiment of the method is used with non-planar focus surfaces. For this must only be known, which Z-distance of each raster point of an imaginary, covering the focus area Raster leads to a sharp picture. The advantage of this embodiment is in the possibility the use of simplified or discounted lenses, or in an increase the measuring accuracy.

Zur Bestimmung der Z-Information ist ein Anfahren bestimmter Fokuspositionen überflüssig. Das aus dem Bildstapel erzeugte Ergebnisbild enthält alle Informationen, d. h. die X-, Y- und Z-Koordinaten aller Bildpunkte.to Determination of the Z information makes it unnecessary to approach certain focus positions. The end The result image generated in the image stack contains all information, ie. H. the X, Y and Z coordinates of all pixels.

In dem Ergebnisbild können die Kantenverläufe der abgebildeten Kanten ohne Nachfokussierung bestimmt werden. Wie schon die vorgenannte Eigenschaft ergibt dies einen erheblichen Zeitvorteil gegenüber Verfahren, bei denen Fokuspositionen gezielt angefahren werden müssen oder bei denen Kantenverläufe durch Nachfokussierung zu bestimmen sind.In the result image can the edge courses the imaged edges are determined without refocusing. As already the above property gives this a considerable Time advantage over Method in which focus positions must be approached specifically or where edge courses to be determined by refocusing.

Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet Fehlmessungen durch unscharfe Kanten. Dies erhöht die Messsicherheit.The inventive method avoids incorrect measurements due to blurred edges. This increases the measuring reliability.

Ein weiterer Vorteil ist die übersichtliche Ergebnisdarstellung. Sowohl die lateralen Koordinaten X und Y als auch die Tiefenkoordinate Z ist in einem einzigen Ergebnisbild enthalten. Die Lateralkoordinaten und die Tiefenkoordinate werden in einem Messvorgang bestimmt. Dies führt zu geringen Messfehlern. Die Extraktion der X-, Y- und Z-Koordinaten aus dem Bildstapel ermöglicht darüber hinaus die Digitalisierung von Oberflächen bei gleichzeitiger Messung von Abmessungen. Das Verfahren ist präzise, schnell und sicher. Es ist wenig von den Reflexionseigenschaften der Objektoberfläche abhängig. Es kann mit gezielter Beleuchtung oder Umgebungslicht gearbeitet werden. An die Beleuchtung werden, abgesehen von der Vermeidung von Überstrahlungen (Überbelichtungen) und nicht ausreichenden Ausleuchtungen, kaum besondere Ansprüche gestellt.One Another advantage is the clear Presentation of results. Both the lateral coordinates X and Y as also the depth coordinate Z is contained in a single result image. The lateral coordinates and the depth coordinate are in one Measurement determined. this leads to too small measuring errors. The extraction of the X, Y and Z coordinates out of the image stack about that In addition, the digitization of surfaces with simultaneous measurement of Dimensions. The process is precise, fast and safe. It is little dependent on the reflection properties of the object surface. It can to work with targeted lighting or ambient light. To the lighting, apart from the avoidance of radiations (overexposures) and insufficient illuminations, hardly any special requirements.

Jedes Bild des Bildstapels enthält die Kantenpartien, bei denen Oberflächenkanten oder Flächenbereiche die Fokusebene schneiden oder in dieser liegen, scharfe abgebildete Bildbereiche. Die Bestimmung der X-, Y- und Z-Koordinaten ist bei der ebenen Ausbildung der Fokusfläche besonders einfach.each Image contains the image stack the edge parts where surface edges or surface areas intersect or lie in the focal plane, sharp imaged Image areas. The determination of the X, Y and Z coordinates is at the flat formation of the focus area particularly easy.

Der von dem Bildsensor abgegebene Bildstapel kann beispielsweise mittels eines Framegrabbers in einem Speicher abgelegt und zur Nachbearbeitung bereit gehalten werden. Zu der Nachbearbeitung gehört beispielsweise die Erzeugung eines Ergebnisbilds, in das nur die jeweils scharf abgebildeten Bereiche der einzelnen Bilder des Bildstapels eingetragen werden, wobei dann jedem Pixel nicht nur die X- und Y- sondern auch die Z-Koordinate zugeordnet ist. Die Z-Koordinate eines scharf abgebildeten Pixels ist diejenige des Bildes, dem das Pixel entnommen worden ist. Sodann kann das erzeugte Ergebnisbild abgespeichert und weiterhin bereit gehalten werden. Es ist jedoch auch möglich, auf eine Abspeicherung des Bilderstapels zu verzichten und das Ergebnisbild gewissermaßen in Echtzeit zu erzeugen. Zu diesem Zweck werden die Einzelbilder, die von dem Bildsensor geliefert werden, auf scharfe Bereiche überprüft, wobei nur die scharfen Bereiche in das Ergebnisbild übernommen werden. Liefert das nachfolgende Bild für einen bereits abgespeicherten Bereich noch schärfere Pixel werden die noch schärferen Pixel übernommen. Auf diese Weise entsteht bei einem einzigen Z-Scan-Durchlauf das Ergebnisbild, das die X-, Y- und Z-Koordinaten vollständig enthält. Das Verfahren beruht auf einfachen, schnell durchführbaren Vergleichs- und Rechenoperationen und benötigt somit so wenig Zeit, dass es in Echtzeit durchgeführt werden kann. Darüber hinaus benötigt es wenig Speicherplatz.The image stack output by the image sensor can be stored in a memory, for example by means of a frame grabber, and kept ready for post-processing. The post-processing includes, for example, the generation of a result image in which only the respectively sharply imaged areas of the individual images of the image stack are entered, in which case not only the X and Y coordinates but also the Z coordinates are assigned to each pixel. The Z coordinate of a sharply-imaged pixel is that of the image from which the pixel was taken. Then, the generated result image can be stored and kept ready. However, it is also possible to dispense with a storage of the image stack and to produce the result image in a sense in real time. For this purpose, the individual images supplied by the image sensor are checked for sharp areas, whereby only the sharp areas are taken over into the result image. If the following image provides even sharper pixels for an already stored area, the even sharper pixels are taken over. In this way, in a single Z-scan pass, the result image that completely uncouples the X, Y, and Z coordinates holds. The method relies on simple, fast-to-perform compare and compute operations, so it takes so little time to run in real time. In addition, it requires little storage space.

Das Scannen des Objekts durch Verlagerung der Fokusebene in Bezug auf die Objektoberfläche kann prinzipiell durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden. Eine einfache und übersichtliche Ausführungsform ergibt sich durch Bewegung des Bildsensors bzw. einer Kamera und der Objektoberfläche relativ zueinander. Eine mechanisch schnellere Lösung kann sich ergeben, wenn das Objektiv beeinflusst wird. Beispielsweise kann der optische Sensor in Bezug auf das Objektiv oder das Objektiv in Bezug auf den optischen Sensor bewegt werden. Beides kann zu einer Z-Verschiebung der Fokusebene genutzt werden. Alternativ kann ein Zoomsystem mit variabler Fokusebene eingesetzt werden. Bevorzugt wird dabei eine Anordnung, bei der die Öffnung des Objektivs so variiert wird, dass bei Verlagerung der Fokusebene ein gegebener Flächenbereich in der Fokusebene stets gleich groß auf dem Bildsensor abgebildet wird. Damit wird die Bildverarbeitung besonders einfach. Ein ausgewähltes Pixel P(i, j) einer ersten Fokusebene FZ1 entspricht dann dem gleichen Pixel P(i, j) in einer anderen Fokusebene FZn (z. B. FZ4). Ändert sich der Abbildungsmaßstab hingegen ist das Verfahren gleichermaßen durchführbar. Jedoch muss darauf Rücksicht genommen werden, dass dann ein Pixel P(i, j) in einer ersten Fokusebene FZ1 einem anderen Pixel P(k, l) einer anderen Fokusebene FZn entspricht.The scanning of the object by displacement of the focal plane with respect to the object surface can be achieved in principle by various measures. A simple and clear embodiment results from movement of the image sensor or a camera and the object surface relative to one another. A mechanically faster solution may result if the lens is affected. For example, the optical sensor may be moved with respect to the lens or lens with respect to the optical sensor. Both can be used for a Z-shift of the focal plane. Alternatively, a zoom system with variable focal plane can be used. In this case, preference is given to an arrangement in which the opening of the objective is varied such that when the focal plane is displaced, a given surface area in the focal plane is always imaged the same size on the image sensor. This makes the image processing particularly easy. A selected pixel P (i, j) of a first focal plane F Z1 then corresponds to the same pixel P (i, j) in another focal plane F Zn (eg F Z4 ). On the other hand, if the magnification is changed, the procedure is equally feasible. However, it must be considered that a pixel P (i, j) in a first focal plane F Z1 then corresponds to another pixel P (k, l) of another focal plane F Zn .

Die Aufnahme des Bilderstapels kann im einfachsten Falle bei ruhender Fokusebene vorgenommen werden. Dabei wird zur Aufnahme des jeweiligen Einzelbilds die Relativbewegung der Fokusebene in Bezug auf die Objektoberfläche jeweils gestoppt. Es ist jedoch auch möglich, bei bewegter Fokusebene zu arbeiten. Dies ist z. B. dann möglich, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit der Fokusebene in Bezug auf die Bildaufnahmegeschwindigkeit des Bildsensors gering ist. Nimmt der Bildsensor das Bild zeilenweise auf und ist die Bewegungsgeschwindigkeit relativ groß muss die Fokusebene in Bezug auf die Objektoberfläche und die optische Achse als geneigt angesehen werden. Die Neigung der optischen Achse wird durch die Z-Verlagerung der Fokusebene während der Aufnahmezeit des Einzelbilds bestimmt. Diese Schräglage oder Neigung der Fokusebene kann bei der Z-Auswertung des Bilderstapels berücksichtigt werden, indem nicht allen Pixeln des Einzelbildes die gleichen Z-Werte sondern die ihrer Verlagerung entsprechenden, individuellen Z-Werte zugeordnet werden. Bis auf eine geringfügige Erhöhung des Speicherplatzbedarfs entstehen dadurch keine Nachteile. Jedoch kann eine erhebliche Steigerung der Aufnahmegeschwindigkeit erreicht werden.The In the simplest case, recording the stack of images can be done at rest Focus plane be made. This is to record the respective Single frame the relative movement of the focal plane with respect to the object surface each stopped. However, it is also possible with moving focal plane to work. This is z. B. then possible if the movement speed the focus plane with respect to the image pickup speed of the Image sensor is low. Does the image sensor take the image line by line? on and is the movement speed relatively large the must Focus plane with respect to the object surface and the optical axis to be considered inclined. The inclination of the optical axis becomes by the Z-displacement of the focal plane during the recording time of the Single frame determined. This skew or inclination of the focal plane can be considered in the Z evaluation of the image stack by not giving all the pixels of the frame the same z-values but associated with their displacement corresponding to individual z-values become. Except for a minor one increase The storage space requirements are thus no disadvantages. however can achieve a significant increase in the recording speed become.

Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung sowie Ansprüchen.Further Details of advantageous embodiments The invention will become apparent from the drawing in conjunction with the subsequent description and claims.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:In the drawing is an embodiment of Invention illustrated. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Messverfahrens anhand einer einfachen geometrischen Objektoberfläche und einer Kamera in symbolischer Veranschaulichung, 1 a schematic representation of a measuring method based on a simple geometric object surface and a camera in symbolic illustration,

2 einen Bilderstapel, gewonnen mit der Anordnung nach 1, 2 a stack of pictures, obtained with the arrangement according to 1 .

3 bis 5 Einzelbilder des Bilderstapels in schematischer Veranschaulichung, 3 to 5 Individual images of the image stack in a schematic illustration,

6 einen Ausschnitt aus einem Einzelbild des Bilderstapels mit Veranschaulichung seiner Pixel, 6 a section of a single image of the image stack with an illustration of its pixels,

7 ein Ergebnisbild mit virtueller Tiefenschärfe, 7 a result image with virtual depth of focus,

8 eine alternative Ausführungsform des Messverfahrens in schematischer Darstellung, 8th an alternative embodiment of the measuring method in a schematic representation,

9 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung und 9 an embodiment of the method according to the invention in a schematic representation and

10 die Interpolation von Pixelgrauwerten anhand eines Diagramms. 10 the interpolation of pixel gray values using a diagram.

In 1 ist die Vermessung einer Objektoberfläche 1 mittels einer Kamera 2 veranschaulicht, die einen optischen Bildsensor z. B. in Form eines flächenhaften CCD-Sensors 3 aufweist. Alternativ kann ein C-MOS-Sensor eingesetzt werden. Zu der Kamera 2 gehört außerdem ein Objektiv 4, das dazu dient, dem CCD-Sensor 3 eine scharfe Abbildung zu erzeugen. Die Tiefenschärfe des Objektivs 4 ist allerdings gering, vorzugsweise sehr gering. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Tiefenschärfenbereich lediglich einen oder wenige Mikrometer, so dass eine Scharfabbildung der Objektoberfläche 1 nur innerhalb einer Fokusebene FZ erfolgt. Genau genommen handelt es sich um ein Fokusvolumen, das jedoch in Z-Richtung, d. h. in Richtung der optischen Achse 5 keine nennenswerte Ausdehnung aufweist.In 1 is the measurement of an object surface 1 by means of a camera 2 illustrating an optical image sensor z. B. in the form of a planar CCD sensor 3 having. Alternatively, a C-MOS sensor can be used. To the camera 2 also includes a lens 4 , which serves the CCD sensor 3 to create a sharp image. The depth of field of the lens 4 is however low, preferably very low. In the preferred embodiment, the depth of field range is only one or a few microns, so that a sharp image of the object surface 1 only within a focal plane F Z occurs. Strictly speaking, it is a focus volume, but in the Z direction, ie in the direction of the optical axis 5 has no appreciable extent.

Die Objektoberfläche 1 ist eine räumliche Oberfläche, die die Fokusebene FZ schneidet. Im vorliegenden Beispiel ist zur Veranschaulichung als Objektoberfläche 1 eine Pyramidenfläche angenommen worden, wobei die Spitze der Pyramide auf der optischen Achse 5 liegt. Sie kann jedoch beliebig anders positioniert werden und es können auch nahezu beliebige andere Objektoberflächen vermessen werden.The object surface 1 is a spatial surface that intersects the focal plane F Z. In the present example, for illustrative purposes, as object surface 1 a pyramid surface has been assumed, with the top of the pyramid on the optical axis 5 lies. However, it can be positioned differently and it can be almost be any other object surfaces are measured.

Die Kamera 2 ist an eine Verarbeitungseinrichtung 6, beispielsweise in Form eines herkömmlichen PC, angeschlossen, der vorzugsweise einen Massenspeicher 7, beispielsweise in Form einer Festplatte enthält. Außerdem weist er die üblichen sonstigen-Komponenten, wie Bildschirm, Eingabe, Schnittstelle, Verarbeitungseinrichtung usw. auf. Die Verarbeitungseinrichtung 6 ist über eine Wirkverbindung 8 mit der Kamera 2 verbunden, um deren Bilder aufzunehmen. Sie ist außerdem mit einer Verstelleinrichtung 9 verbunden, um diese zu steuern. Die Verstelleinrichtung 9 positioniert die Kamera 2 entlang der in Z-Richtung orientierten optischen Achse 5 in verschiedene Aufnahmepositionen Z1 bis Zn. Zur Veranschaulichung ist in 1 n = 7 angenommen worden. Praktischerweise wird die Anzahl der verschiedenen Aufnahmepositionen jedoch wesentlich höher sein. Die Verstelleinrichtung 9 kann bedarfsweise auch autark, d. h. unabhängig von der Verarbeitungseinrichtung 6 arbeiten und die Bildaufnahme durch Signalgabe auslösen.The camera 2 is to a processing device 6 , For example, in the form of a conventional PC, connected, preferably a mass storage 7 , for example in the form of a hard disk. He also has the usual other components, such as screen, input, interface, processing device, etc. on. The processing device 6 is via an active compound 8th with the camera 2 connected to take their pictures. It is also equipped with an adjustment device 9 connected to control these. The adjusting device 9 positions the camera 2 along the Z-direction oriented optical axis 5 in different pickup positions Z1 to Zn. For illustration, in 1 n = 7 has been accepted. Practically, however, the number of different recording positions will be much higher. The adjusting device 9 If necessary, it can also be self-sufficient, ie independent of the processing device 6 work and trigger the image acquisition by signaling.

Zur Vermessung der Objektoberfläche 1 wird die Kamera 2 mittels der Verstelleinrichtung 9 zunächst in eine erste Aufnahmeposition Z1 gefahren, in der die zugeordnete Fokusebene FZ1 an einem Ende des zu erfassenden Z-Bereichs der Objektoberfläche 1 steht. In dieser Position wird ein erstes Bild B(1) aufgenommen. Das Bild B(1) ist der Z-Position Z1 der Fokusebene FZ zugeordnet. Nach Aufnahme dieses Bilds wird die Kamera 2 in die Z-Position Z2 verschoben. Somit verlagert sich die Fokusebene in die Position FZ2. In dieser wird das Bild B(2) aufgenommen. Dieser Vorgang wird dann so lange fortgesetzt bis die Kamera 2 die Position Z7 (1) erreicht. Die Fokusebene FZ ist dann in der Position Z7. Es wird das Bild B(7) aufgenommen. Somit wird der in 2 schematisch veranschaulichte Bilderstapel 11 erzeugt. Jedem dieser Bilder ist eine Z-Position Z1 bis Z7 zugeordnet. Der Bilderstapel 11 wird mit den zu den Einzelbilder B(1) bis B(7) zugeordneten Z-Positionen in dem Massenspeicher 7 abgelegt.For measuring the object surface 1 becomes the camera 2 by means of the adjusting device 9 first moved to a first receiving position Z1, in which the associated focal plane F Z1 at one end of the Z-region of the object surface to be detected 1 stands. In this position, a first image B (1) is recorded. The image B (1) is assigned to the Z position Z1 of the focal plane F Z. After taking this picture, the camera becomes 2 moved to the Z position Z2. Thus, the focal plane shifts to the position F Z2 . In this picture B (2) is taken. This process is then continued until the camera 2 the position Z7 ( 1 ) reached. The focal plane F Z is then in the position Z7. The picture B (7) is taken. Thus, the in 2 schematically illustrated image stack 11 generated. Each of these images is assigned a Z position Z1 to Z7. The picture stack 11 is assigned to the Z positions in the mass memory associated with the frames B (1) to B (7) 7 stored.

In den Bildern B(1) bis B(7) sind jeweils nur diejenigen Bildpartien scharf abgebildet, in denen die Objektoberfläche 1 die betreffende Fokusebene FZ schneidet. Dies ist in den 3 bis 5 veranschaulicht. Die 3 stellt den Schnitt der Objektoberfläche 1 mit der Fokusebene FZ für die Position Z1 dar. Es sind lediglich kurze Abschnitte 12, 13, 14, 15 der vier Kanten der die Objektoberfläche 1 ausmachenden Pyramide scharf abgebildet. Die übrigen Kantenbereiche verschwimmen, d. h. sind unscharf. Zur Herausfilterung der scharf abgebildeten und somit in der Fokusebene liegenden Bildbereiche insbesondere der Kantenbereiche wird nun eine Kontrastbestimmungsroutine durchgeführt. Diese untersucht die einzelnen Pixel des Bildes 1 auf Kontrast. Dabei wird jedem Pixel P(x, y) (siehe 6) ein Kontrastwert K(x, y) zugeordnet, der sich aus den Helligkeitswerten der Nachbarpixel berechnet.In the pictures B (1) to B (7), only those parts of the image in which the object surface is in focus are shown in sharp focus 1 the relevant focal plane F Z intersects. This is in the 3 to 5 illustrated. The 3 represents the section of the object surface 1 with the focal plane F Z for the position Z1. They are only short sections 12 . 13 . 14 . 15 the four edges of the object surface 1 spiky pyramid. The remaining edge areas are blurred, ie blurred. In order to filter out the image regions, in particular the edge regions, which are in the focus plane and thus lie in the focal plane, a contrast determination routine is now performed. This examines the individual pixels of image 1 for contrast. Each pixel P (x, y) (see 6 ) is assigned a contrast value K (x, y), which is calculated from the brightness values of the neighboring pixels.

Dieser Vorgang wird auch für das Bild B(2) durchgeführt, bei dem die entsprechende Fokusebene FZ die Pyramide etwas näher zu ihrer Spitze hin versetzt schneidet. Entsprechend sind Kantenbereiche 16, 17, 18, 19 scharf abgebildet, die näher an der Spitze der Pyramide liegen. Die scharf abgebildeten Bereiche werden wiederum über die Kontrastbestimmungsroutine ausfindig gemacht. Dieser Vorgang wiederholt sich nun für alle Bilder bis zum letzten Bild, hier B(7). Dieses ist in 5 veranschaulicht. Zufällig trifft die Fokusebene FZ in der Position Z7 die Spitze der Pyramide. Es ist somit der zentrische, die Spitze enthaltende Bildbereich 21 scharf abgebildet.This process is also carried out for the image B (2), in which the corresponding focal plane F Z intersects the pyramid slightly closer to its tip. Corresponding edge areas 16 . 17 . 18 . 19 sharply imaged, which are closer to the top of the pyramid. The sharply imaged areas are again located via the contrast determination routine. This process repeats itself for all pictures up to the last picture, here B (7). This is in 5 illustrated. Coincidentally, the focal plane F Z in position Z7 hits the top of the pyramid. It is thus the centric image area containing the peak 21 sharply depicted.

Die scharf abgebildeten Bild- bzw. Kantenbereiche 12 bis 21 der Bilder B(1) bis B(7) werden nun zu einem aus 7 ersichtlichen Ergebnisbild zusammengesetzt. Dieses Ergebnisbild enthält sowohl die X-, Y- als auch die Z-Positionen aller als scharf erkannten Pixel. Die Z-Positionen sind dabei von den Einzelbildern B(1) bis B(7) übernommen, denen die jeweils schärfsten Bereiche entnommen wurden.The sharply displayed image or edge areas 12 to 21 Pictures B (1) to B (7) now become one 7 composite result image. This result image contains both the X, Y, and Z positions of all the pixels recognized as sharp. The Z positions are taken from the individual images B (1) to B (7), from which the sharpest areas were taken.

Die Vorgehensweise zur Erzeugung des Ergebnisbilds kann wie folgt zusammengefasst werden:The The procedure for generating the result image can be summarized as follows become:

  • – zunächst wird ein Bildstapel 11 mit n Bildern B(z) während der Bewegung des optischen Systems in Richtung der optischen Achse 5 aufgenommen. Jedem Bild B(i) wird die Aufnahmeposition Z auf der optischen Achse 5 zugeordnet.- first, a picture stack 11 with n images B (z) during movement of the optical system in the direction of the optical axis 5 added. Each image B (i) becomes the pickup position Z on the optical axis 5 assigned.
  • – Jedem Pixel P(x, y) wird nun ein Kontrastwert K(x, y) zugeordnet, der sich aus den Nachbarpixeln berechnet.- Each Pixel P (x, y) is now assigned a contrast value K (x, y), which calculated from the neighboring pixels.
  • – Es werden die Kontrastwerte K(x0, y0) korrespondierenden Pixel P(x0, y0) in allen Bildern B (z) verglichen. Es ergibt sich ein maximaler Kontrastwert Kmax(x0, y0) in dem Bild B(zmax) für jedes Pixel P(x0, y0).The contrast values K (x 0 , y 0 ) corresponding pixels P (x 0 , y 0 ) in all images B (z) are compared. The result is a maximum contrast value K max (x 0 , y 0 ) in the image B (z max ) for each pixel P (x 0 , y 0 ).
  • – In dem nun dreidimensionalen Ergebnisbild Br wird neben dem Grauwert des Pixels P(x0, y0) aus dem Bild B(zmax), dessen Kontrastwert am größten ist, auch die Bildaufnahmeposition Zmax mit übernommen. So erhält jedes Pixel eine dreidimensionale Koordinate P(x0, y0, z).In the now three-dimensional result image Br, besides the gray value of the pixel P (x 0 , y 0 ) from the image B (z max ), whose contrast value is greatest, the image acquisition position Z max is also adopted. Thus, each pixel receives a three-dimensional coordinate P (x 0 , y 0 , z).

Es ist möglich, auf die Zwischenspeicherung der Bilder B(1) bis B(7) bzw. B(n) zu verzichten, wenn die Kontrastwerte während der Bildaufnahme erzeugt und das Pixel mit dem jeweiligen Kontrastmaximum in das Ergebnisbild Br eingetragen wird.It is possible, to the intermediate storage of images B (1) to B (7) and B (n) to dispense if the contrast values generated during the image acquisition and the pixel with the respective contrast maximum in the result image Br is registered.

In 8 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Messanordnung veranschaulicht. Sie beruht auf einer Bewegung der Fokusebene FZ(FZ1 bis FZn) bei ruhender Kamera 2 und zugleich ruhender Objektoberfläche 1. Es wird ein variables Objektiv 4 verwendet, das die Fokusebene entlang der optischen Achse 5 verlagern kann. Zugleich ist das Objektiv 4 als Zoomobjektiv ausgebildet, wobei bei variablem Bildöffnungswinkel der erfasste Flächenbereich der Fokusebene konstant ist.In 8th a modified embodiment of the measuring arrangement is illustrated. It is based on a movement of the focal plane F Z (F Z1 to F Zn ) with the camera stationary 2 and at the same time resting object surface 1 , It becomes a variable lens 4 used that the focal plane along the optical axis 5 can relocate. At the same time is the lens 4 formed as a zoom lens, wherein at a variable image opening angle of the detected surface area of the focal plane is constant.

Diese Anordnung gestattet die Anwendung des obigen Verfahrens ohne sonstige Abwandlung.These Arrangement allows the application of the above method without other Modification.

Es ist auch möglich, den Öffnungswinkel unabhängig von der Lage der Fokusebene zu ändern. In diesem Fall arbeitet das Objektiv 4 mit veränderlichem Abbildungsmaßstab. Die Veränderung des Abbildungsmaßstabes kann in dem Verfahren zur Erzeugung des Ergebnisbilds Br berücksichtigt werden. Unter Abbildungsmaßstab wird hier das Längenverhältnis zwischen einer in der Fokusebene FZ gemessenen Länge und einem entsprechenden Pixelabstand auf dem CCD-Sensor verstanden. Die Kompensation wechselnder Abbildungsmaßstäbe kann durch entsprechende Vergrößerung oder Verkleinerung der Bilder des Bilderstapels erreicht werden.It is also possible to change the opening angle regardless of the position of the focal plane. In this case, the lens works 4 with variable magnification. The change in magnification can be taken into account in the method for generating the result image Br. By magnification is meant here the aspect ratio between a measured in the focal plane F Z length and a corresponding pixel pitch on the CCD sensor. The compensation of changing image scales can be achieved by corresponding enlargement or reduction of the images of the image stack.

Des Weiteren ist es möglich, mit nicht ebenen Fokusflächen FZ zu arbeiten, wie 9 veranschaulicht. In diesem Fall ist jedem einzelnen Bild nicht nur ein einziger Z-Wert zugeordnet, sondern es ist jedem seiner Pixel die zugehörige Z-Position seiner Fokusebene zugeordnet. Diese ergibt sich aus der Z-Position der Fokusebene an der optischen Achse 5 zuzüglich oder abzüglich eines pixelspezifischen Werts, der von der Krümmung der Fokusebene abhängt.Furthermore, it is possible to work with non-planar focus surfaces F Z , such as 9 illustrated. In this case, not only a single Z value is assigned to each individual image, but the associated Z position of its focal plane is assigned to each of its pixels. This results from the Z position of the focal plane on the optical axis 5 plus or minus a pixel-specific value, which depends on the curvature of the focal plane.

Im Übrigen kann das im Zusammenhang mit der 1 bis 7 beschriebene Verfahren Anwendung finden.Incidentally, this may be related to the 1 to 7 described method apply.

Das Verfahren umfasst eine Interpolation oder Approximation des Kontrastverlaufs K(x0, y0, z) sowie des Grauwertverlaufs G(x0, y0, z). So ist es möglich, das Maximum des Kontrasts bzw. dem zugehörigen Grauwert auch zwischen den einzelnen Bildern B(z) zu bestimmen und somit die Genauigkeit zu erhöhen.The method comprises an interpolation or approximation of the contrast profile K (x 0 , y 0 , z) as well as of the gray value curve G (x 0 , y 0 , z). It is thus possible to determine the maximum of the contrast or the associated gray value between the individual images B (z) and thus to increase the accuracy.

10 stellt dies in einem Diagramm dar. Eine erste Kurve I kennzeichnet den Kontrast für ein herausgegriffenes Pixel P(x0, y0) in den Bildern B des Bilderstapels B(z). Die Kurve I interpoliert die einzelnen Kontrastwerte K(x, y). 10 this is illustrated in a diagram. A first curve I indicates the contrast for an extracted pixel P (x 0 , y 0 ) in the images B of the image stack B (z). The curve I interpolates the individual contrast values K (x, y).

Das Maximum kann zwischen zwei Bildern liegen. Ein zweite Kurve II kennzeichnet die Grauwerte der Bilder. Die Kurve II wird durch Interpolation der einzelnen Grauwerte der betreffenden Bilder gewonnen. Als gültiger Grauwert kann der Grauwert der gleichen Stelle Z herausgegriffen werden, bei dem die Kurve I ihr Maximum hat. Der Z-Wert kann, wie gesagt, zwischen zwei Bildern liegen. In das Ergebnisbild wird dann der Pixel mit dem Grauwert G an der Stelle Z zugeordnet, die zwischen zwei Bildern liegt. Außerdem wird dem betreffenden Pixel der entsprechende Z-Wert zugeordnet, bei dem die Kurve I ihr Maximum hat.The Maximum can be between two images. A second curve II marks the gray values of the pictures. The curve II is by interpolation the individual gray values of the relevant images. As a valid gray value the gray value of the same position Z can be selected where the curve I has its maximum. The z-value can, as I said, lie between two pictures. In the result image is then the Pixels associated with the gray value G at the point Z, the between two pictures. Furthermore the corresponding pixel is assigned the corresponding z-value, where the curve I has its maximum.

Zur 3D-Vermessung von Objektoberflächen 1 dient ein optisches Verfahren, das mit einer Kamera arbeitet. Diese weist eine Fokusebene FZ auf, die einen sehr geringen Tiefenschärfebereich festlegt. Durch Verfahren der Z-Position der Fokusebene FZ und wiederholte Bildaufnahme wird ein Bildstapel 11 bestehend aus Einzelbildern B(z) erzeugt. Die Einzelbilder weisen jeweils nur dort scharfe, d. h. kontrastreiche Partien auf, in denen die Objektoberfläche 1 die Fokusebene F2 schneidet. Jedem Einzelbild B(z) ist ein Z-Wert zugeordnet. Die scharf abgebildeten Bereiche der einzelnen Bilder B(z) werden zu einem Ergebnisbild Br zusammengefasst, dessen Pixeln jeweils die X-Koordinate, die Y-Koordinate und die Z-Koordinate zugeordnet ist.For 3D measurement of object surfaces 1 is an optical process that works with a camera. This has a focal plane F Z , which defines a very small depth of field. By moving the Z position of the focal plane F Z and repeated image pickup, an image stack is formed 11 consisting of frames B (z) generated. The individual images each have only there sharp, ie high-contrast parts in which the object surface 1 the focal plane F2 intersects. Each frame B (z) is assigned a Z value. The sharply imaged areas of the individual images B (z) are combined to form a result image Br whose pixels are each assigned the X coordinate, the Y coordinate and the Z coordinate.

Claims (16)

Verfahren zum dreidimensionalen berührungslosen optischen Vermessen von Objektoberflächen (1) mittels eines optischen Bildsensors (3) für in zwei Richtungen x und y ausgedehnte und somit zweidimensionale Bilder, der in einem in einer dritten Richtung z gemessenen Abstand eine Fokusfläche (Fz) festlegt und eine geringe Tiefenschärfe aufweist, bei welchem Verfahren – ein eine Serie von Bildern (B(z)) umfassender Bildstapel (11) erzeugt wird, dessen Bilder (B(z)) in unterschiedlichen z-Positionen der Fokusfläche (Fz) aufgenommen worden sind, – sowohl die x- und y-Koordinaten als auch die z-Koordinate eines Oberflächenpunkts unter Heranziehung der aufgenommenen Bilder (B(z)) des Bildstapels (11) bestimmt werden, wobei aus den Kontrastwerten K einander entsprechender Pixel (P(x0, y0)) der Bilder (B(z)) eine Kontrastverlaufsfunktion K(x0, y0, z) als kontinuierliche Funktion gebildet und ein Maximum der Kontrastverlaufsfunktion K(x0, y0, z) ermittelt wird, – aus den Grauwerten einander entsprechender Pixel ein Grauwertverlauf G(x0, y0, z) als kontinuierliche Funktion bestimmt und derjenige Grauwert in das Ergebnisbild übertragen wird, bei dem die Kontrastverlaufsfunktion ein Maximum hat, womit auch Grauwerte in das Ergebnisbild übernommen werden, deren z-Werte zwischen den Bildern (B(z)) liegen.Method for the three-dimensional non-contact optical measurement of object surfaces ( 1 ) by means of an optical image sensor ( 3 ) for two-way x and y extended and thus two-dimensional images defining a focus area (F z ) in a distance measured in a third direction z and having a shallow depth of field, in which method - a series of images (B (e.g. )) comprehensive image stack ( 11 ) whose images (B (z)) have been taken in different z-positions of the focal plane (F z ), both the x and y coordinates and the z-coordinate of a surface point using the captured images ( B (z)) of the image stack ( 11 ), wherein from the contrast values K of mutually corresponding pixels (P (x 0 , y 0 )) of the images (B (z)) a contrast progression function K (x 0 , y 0 , z) is formed as a continuous function and a maximum of Contrast gradient function K (x 0 , y 0 , z) is determined, - determined from the gray values of corresponding pixels a gray value curve G (x 0 , y 0 , z) as a continuous function and the gray value is transmitted to the result image, in which the Kontrastverlaufsfunktion has a maximum, which also gray values in the result image are taken, whose z-values between the images (B (z)) are. Verfahren zum dreidimensionalen berührungslosen optischen Vermessen von Objektoberflächen (1) mittels eines optischen Bildsensors (3) für in zwei Richtungen x und y ausgedehnte und somit zweidimensionale Bilder, der in einem in einer dritten Richtung z gemessenen Abstand eine Fokusfläche (Fz) festlegt und eine geringe Tiefenschärfe aufweist, wobei bei dem Verfahren ein eine Serie von Bildern (B(z)) umfassender Bildstapel (11) erzeugt wird, dessen Bilder (B(z)) in unterschiedlichen z-Positionen der Fokusfläche (Fz) aufgenommen worden sind, und wobei bei dem Verfahren die aufgenommenen Bilder (B(z)) des Bildstapels (11) sowohl zur Bestimmung der x- und y-Koordinaten als auch der z-Koordinate jedes Pixels (P(x, y)) herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokusfläche (Fz) eine nichtebene Fläche ist.Method for the three-dimensional non-contact optical measurement of object surfaces ( 1 ) by means of an optical image sensor ( 3 ) for two directions x and y and thus two dimensional images defining a focus area (F z ) in a distance measured in a third direction z and having a small depth of focus, the method comprising a picture stack comprising a series of images (B (z)) ( 11 ) whose images (B (z)) have been taken in different z positions of the focus area (F z ), and in which method the captured images (B (z)) of the image stack (FIG. 11 ) are used both for determining the x and y coordinates and the z coordinate of each pixel (P (x, y)), characterized in that the focus surface (F z ) is a non-planar surface. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefenschärfe geringer ist als die geforderte z-Auflösung.Method according to claim 1 or 2, characterized that the depth of field less than the required z-resolution. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder (B(z)) des Bildstapels (11) in einem Speichermedium (7) abgespeichert werden, wobei jedem Bild (B(z)) des Bildstapels (11) die z-Position der Fokusfläche (Fz) in Bezug auf die Objektoberfläche (1) zugeordnet wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the images (B (z)) of the image stack ( 11 ) in a storage medium ( 7 ) are stored, each image (B (z)) of the image stack ( 11 ) the z-position of the focus surface (F z ) with respect to the object surface ( 1 ). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den aufgenommenen Bildern (B(z)) scharf abgebildete Bereiche (12–21) identifiziert werden und dass den scharf abgebildeten Bereichen die z-Position der Fokusebene (Fz) an der optischen Achse (5) zuzüglich oder abzüglich eines pixelspezifischen Werts, zugeordnet wird, der von der Krümmung der Fokusebene (Fz) abhängt.A method according to claim 1 or 2, characterized in that in the recorded images (B (z)) sharply imaged areas ( 12 - 21 ) and in that the sharply imaged areas the z-position of the focal plane (F z ) on the optical axis ( 5 ) plus or minus a pixel-specific value, which depends on the curvature of the focal plane (F z ). Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auffindung scharf abgebildeter Bereiche (12–21) in jedem Bild (B(z)) pixelweise ein Kontrastwert K(x, y) berechnet wird.A method according to claim 5, characterized in that for finding sharp areas ( 12 - 21 ) in each image (B (z)) pixel by pixel a contrast value K (x, y) is calculated. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des Kontrastwertes K(x, y), die Helligkeitswerte der Nachbarpixel miteinander verglichen werden.Method according to Claim 6, characterized for calculating the contrast value K (x, y), the brightness values the neighboring pixels are compared with each other. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme der Bilder (B(z)) des Bilderstapels (11) der Bildsensor (3) und die Objektoberfläche (1) gegeneinander verschoben werden.A method according to claim 1 or 2, characterized in that for receiving the images (B (z)) of the image stack ( 11 ) the image sensor ( 3 ) and the object surface ( 1 ) are shifted against each other. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme der Bilder (B(z)) des Bilderstapels (11) ein zu dem Bildsensor (3) gehöriges optisches Abbildungssystem (4) beeinflusst wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that for receiving the images (B (z)) of the image stack ( 11 ) to the image sensor ( 3 ) associated optical imaging system ( 4 ) being affected. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbildungssystem (4) ein Zoomobjektiv ist.Method according to claim 9, characterized in that the imaging system ( 4 ) is a zoom lens. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme der Bilder (B(z)) des Bilderstapels (11) der Abstand des Bildsensors von dem zu ihm gehörigen optischen Abbildungssystem (4) verändert wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that for receiving the images (B (z)) of the image stack ( 11 ) the distance of the image sensor from its associated optical imaging system ( 4 ) is changed. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme des Bilderstapels (11) bei bewegter Fokusebene (Fz) vorgenommen wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the recording of the image stack ( 11 ) is performed at the moving focal plane (F z ). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme des Bilderstapels (11) bei ruhender Fokusebene (Fz) vorgenommen wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the recording of the image stack ( 11 ) is performed at a stationary focal plane (F z ). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektoberfläche (1) mit diffusem Licht beleuchtet wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the object surface ( 1 ) is illuminated with diffused light. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektoberfläche (1) zur Kontrasterhöhung mit strukturiertem Licht beleuchtet wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the object surface ( 1 ) is illuminated to increase the contrast with structured light. Messeinrichtung zum dreidimensionalen berührungslosen optischen Vermessen von Objektoberflächen (1), mit einem Bildsensor (3) für in zwei Richtungen x und y ausgedehnte und somit zweidimensionale Bilder, der in einem in einer dritten Richtung z gemessenen Abstand eine Fokusfläche (Fz) festlegt und eine geringe Tiefenschärfe aufweist, und mit einer Verarbeitungseinrichtung, die folgende Verfahrensschritte ausführt: – Erzeugen eines eine Serie von Bildern (B(z)) umfassenden Bildstapels (11) mit Hilfe des Bildsensors (3), dessen Bilder (B(z)) in unterschiedlichen z-Positionen der Fokusfläche (Fz) aufgenommen worden sind, – Bestimmen sowohl der x- und y-Koordinaten als auch der z-Koordinate eines Oberflächenpunkts unter Heranziehung der aufgenommenen Bilder (B(z)) des Bildstapels (11), wobei aus den Kontrastwerten K einander entsprechender Pixel (P(x0, y0)) der Bilder (B(z)) eine Kontrastverlaufsfunktion K(x0, y0, z) als kontinuierliche Funktion gebildet und ein Maximum der Kontrastverlaufsfunktion K(x0, y0, z) ermittelt wird, – Bestimmen eines Grauwertverlauf G(x0, y0, z) als kontinuierliche Funktion aus den Grauwerten einander entsprechender Pixel und Übertragen desjenigen Grauwerts in das Ergebnisbild, bei dem die Kontrastverlaufsfunktion ein Maximum hat, womit auch Grauwerte in das Ergebnisbild übernommen werden, deren Z-Werte zwischen den Bildern (B(z)) liegen.Measuring device for the three-dimensional non-contact optical measurement of object surfaces ( 1 ), with an image sensor ( 3 ) for two-way x and y extended and thus two-dimensional images, which defines a focus area (F z ) in a distance measured in a third direction z and has a shallow depth of field, and with a processing device, which performs the following method steps: - generating a a series of images (B (z)) comprising image stack ( 11 ) with the aid of the image sensor ( 3 ) whose images (B (z)) have been taken in different z-positions of the focal plane (F z ), - determining both the x and y coordinates and the z coordinate of a surface point using the captured images (B (z)) of the image stack ( 11 ), wherein the contrast values K of mutually corresponding pixels (P (x 0 , y 0 )) of the images (B (z)) form a contrast progression function K (x 0 , y 0 , z) as a continuous function and a maximum of the contrast progression function K (x 0 , y 0 , z) is determined, determining a gray value curve G (x 0 , y 0 , z) as a continuous function from the gray values of mutually corresponding pixels and transferring that gray value into the result image at which the contrast progression function has a maximum , which also gray values in the result image are taken, whose Z-values between the images (B (z)) are.
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