CN106403839B - 用于确定测量物体的空间性质的方法和测量机 - Google Patents

Abstract

一种确定测量物体(14)的空间性质的方法和测量机，其均使用工件台(12)以及具有图像传感器(20)和成像光学器件(22)的摄像机(18)。成像光学器件(22)展示像差并且被配置为相对于工件台(12)对焦在多个不同的工作位置(46a，46b)上。通过使用对限定工作位置提供的第一校准值将像差最小化。确定摄像机(18)相对于相关区域(16)的第一工作距离。接下来，使用第一工作距离以及使用表现摄像机(18)的像场曲率(44)的第二校准值，对焦成像光学器件(22)，使得相关区域(16)被带到限定的工作位置。接下来，进行像记录和像评价，以确定表现相关区域(16)中的测量物体(14)的空间性质的测量值。

Description

用于确定测量物体的空间性质的方法和测量机

技术领域

本发明涉及一种用于确定测量物体的空间性质方法和一种相应的测量机。特别地，本发明涉及一种用于使用已知的轮廓投影仪来测量测量物体(即使用在显示器上提供测量物体的2D像的测量机，以便测量例如物体的位置和/或边缘的轮廓)的方法。

背景技术

DE 198 05040 A1公开了一种现有技术的测量机，其具有用于支承测量物体的工件台并且具有布置在工件台之上并且可以垂直地移位的摄像机。布置在工件台之下的是光源，其在已知的透射光中照明测量物体。由摄像机记录的像从而将测量物体显示为剪影。然而，测量方法更具体的细节未在其中描述。

US 2010/0225666 A1公开了数字轮廓投影仪的一个例子。此轮廓投影仪产生测量物体的数字像，并且将测量物体的图纸叠覆到显示器上的像之上，从而可以检测测量物体是否在预定的工件公差之内对应于图纸。

实际光学系统的成像物体以及因此实际光学测量机的摄像机已知为总是显示像差，所述像差可以部分地追溯到制造公差，而部分地追溯到光学设计过程中的折中和/或潜在的物理现象。像差表现实际成像光学器件与只在理论中可能的理想光学像之间的偏差。典型的像差包含球面像差，像散像差(astigmatism)，彗差(coma)，像场曲率(其他术语：焦平面偏差-FPD)以及失真。为了增加光学测量机的测量精度，由成像光学器件记录的像的像差可以在实际的像评价之前、过程中或之后通过计算来修正，其中使用在之前的校准操作中获得的校准值。US 6,538,691 B1示例性地描述计算机执行的数字摄像机像失真的修正。

其中使用的已知的方法和测量机以及校准方法还不是最优，尤其是在成像光学器件可以调整到相对于工件台不同的工作距离的情况下。像差时常仅对于特定的工作距离以最佳方式最小化。

发明内容

鉴于此背景技术，本发明的目标是提供在介绍部分提到类型的一种方法以及一种测量机，其允许进行在测量时间和成本方面有效率，并且提供高测量精度的对测量物体的测量。

根据本发明的第一方面，此目标通过一种用于确定测量物体的空间性质方法实现，所述的方法包含步骤：

-提供光学测量机，所述光学测量机包含工件台以及具有图像传感器和成像光学器件的摄像机，其中成像光学器件显示像差，并且配置为对焦到相对于工件台的多个不同的工作位置上，

-提供第一校准值，选择所述第一校准值使得像差对于来自多个不同的工作位置的限定的工作位置最小化，

-提供表现摄像机的像场曲率的第二校准值，

-在工件台上定位测量物体，

-在测量物体上限定第一相关区域，

-确定摄像机至第一相关区域的第一工作距离，

-使用第一工作距离和第二校准值对焦成像光学器件，使得第一相关区域被带入限定的工作位置，

-当第一相关区域在限定的工作位置上时，记录第一相关区域的像，以及

-基于像并且基于第一校准值确定表现测量物体在第一相关区域中的空间性质测量值。

根据本发明的另一方面，通过用于确定测量物体的空间性质的测量机实现此目标，其中所述测量机包含：

工件台以及具有图像传感器和成像光学器件的摄像机，其中成像光学器件显示像差，并且配置为相对于工件台对焦在多个不同的工作位置上，

用于提供第一校准值的第一存储器，选择所述第一校准值使得像差对于来自多个不同的工作位置的限定的工作位置最小化，

用于提供表现摄像机的像场曲率的第二校准值的第二存储器，以及

评价和控制单元，其具有用于限定在测量物体上的第一相关区域的界面，

其中评价和控制单元配置为用于：

a)确定摄像机至第一相关区域的第一工作距离，

b)使用第一工作距离并且使用第二校准值对焦成像光学器件，使第一相关区域被带入限定的工作位置，

c)当第一相关区域在限定的工作位置上时，使用摄像机记录第一相关区域的像，以及

d)基于像并且基于第一校准值，确定表现测量物体在第一相关区域中的空间性质的测量值。

本创新的方法和测量机利用第一校准值，选择所述第一校准值，使得对于来自多个可能的工作位置的限定的工作位置，像差(尤其是成像光学器件的个别像差)根据预定的质量标准最小化。换而言之，本创新的方法和测量机要求校准，所述校准允许通过计算的方式修正光学器件的像差，例如在基于修正的像确定对于测量物体的测量值之前或甚至之后。特别地，选择第一校准值使得对于精确地(exactly)一个限定的工作距离或一个限定的工作位置的成像光学器件的失真最小化。

相对于来自多个不同的可能的工作位置的限定的工作位置的校准提供最佳工作位置，即在成像光学器件前的最佳测量平面，该最佳工作位置由于校准和导致的修正允许具有最大的测量精度的测量结果。在该一个限定的工作位置上的此测量平面在某种程度上构成“最佳测量平面”。然而，对于来自多个可能的工作位置的其他工作位置，测量误差可能更大，尤其是如果对于其他工作位置未进行单独的校准，并且从而没有依据工作位置的第一校准值可供使用。

由此原因，在提供第一校准值或提供“最佳测量平面”之外，本创新的方法和测量机还包含特征，所述特征为通过成像光学器件的选择性对焦，将在测量物体上要测量的相关区域(也称为ROI)尽可能近地带到“最佳测量平面”。这是重要的，因为由于像场曲率，精确的焦点位置可能取决于第一相关区域的横向位置。例如，由于像场曲率，测量物体的右上角可以最佳地被置于成像光学器件的焦点中，而与此同时同一测量物体的左下角可能被置于最佳焦点之外。

本创新的方法和测量机是基于确定测量物体上的相关区域的局部焦点的构思，所述局部焦点取决于像场曲率，尤其是度量方法上使用第一对焦步骤。换而言之，使用第一焦点测量将此情况中的第一相关区域尽可能最佳地带入成像光学器件的(横向地空间相关的)焦点。接下来，然而，相对于第一相关区域选择性地重对焦或散焦成像光学器件，以便将第一相关区域尽可能接近地带到限定的工作位置或者进入限定的工作位置中，由于第一校准值和像修正是基于所述的限定的工作位置，所述限定的工作位置表现最佳测量平面。由此将第一相关区域带入第一测量平面或者至少有目标地尽可能接近到最佳测量平面。在此，本创新的方法和测量机接受第一相关区域可能不置于对于测量像的记录的最佳焦点。在实际情况中这意味着即使测量物体横向地没有高度变化，可以根据第一相关区域的横向位置改变摄像机的对焦。如果定位了第一相关区域，例如，在测量物体的右上角，在本创新的方法和测量机中的摄像机的对焦可以与在选择第一相关区域为在测量物体的右下角的情况的对焦不同。然而，在两种情况中，基于校准的最佳测量平面被带入要测量的相关区域或被有目标地带到要测量的相关区域。

本创新的方法和测量机因此接受相对于相关区域局部散焦，以便将相关区域尽可能接近地带到或甚至进入最佳测量平面，其中所述最佳测量平面由对于限定的工作位置的成像光学器件的校准获得。

使用仅表现像场曲率的第二校准值(即成像光学器件的横向地空间地相关的焦点)进行相对于要测量的相关区域的成像光学器件的选择性的“失焦”。换而言之，由此第二校准值表现在对于相关区域的最佳聚焦位置与基于校准的最佳测量平面之间的横向地空间地相关的距离(沿光轴或在聚焦的方向上)。

在一些示例性的实施例中，可以通过在一个限定的工作位置上记录点矩阵确定第二校准值，所述点矩阵具有以矩阵的方式分布的多个点，由于校准，该限定的工作位置表现最佳测量平面。点矩阵中的一些点可以在记录的像中被表现得锐利，因为它们在校准的工作位置中的最佳焦点中。然而，由于像场曲率，其他点可以成像为更不锐利或甚至完全地不锐利。如果改变摄像机的工作位置以尽可能锐利地成像点(其初始地成像为不锐利)，即将它们带入横向地空间地相关的焦点，工作位置的改变表现了最佳聚焦位置距对于观察的相关区域的最佳测量平面的横向地空间地相关的距离。恰恰是此信息被表现在第二校准值中，并且对应于像场曲率，在本创新的方法和测量机中利用所述像场曲率以在测量像记录之前将相关区域尽可能最佳地置于校准的最佳测量平面之中或之上。

记录第二校准值可以是本创新的方法的一部分。然而，也可以在本创新的方法之前进行，这是因为本创新的方法和测量机所有要求的仅是使用最佳焦点距最佳测量平面的横向地空间地相关的距离来在像记录之前调整工作位置。

由于测量物体上的个别相关区域最佳地置于取决于它们的横向位置并且取决于摄像机的个别的像场曲率的最佳测量平面，本创新的方法和测量机允许以高的测量精度对测量物体的测量。在优选的示例性的实施例中，在根据本创新的方法将测量物体带入到最佳工作位置之中之后，本创新的方法和测量机仅记录测量物体的一个像。本创新的方法和测量机因此允许相对地快速的测量。在像记录之前最终工作位置的设定，即成像光学器件的对焦，也可以基于已知的、但是横向地空间地相关的聚焦位置快速找到。

此外，本创新的方法和测量机能够对于精确地一个限定的工作位置以一组第一校准值操作。因此，本创新的方法和测量机仅需要第一校准值的相对地小的组。

最终，成像光学器件的光学设计而言，对于多个可能的工作位置中的一个进行优化就足够了(可能借助于第一校准值)，这是因为尽管有多个可能的工作位置，本创新的方法和测量机确保在每种情况中，定位在测量物体上的相关区域使得实现最大测量精度。

总的来说，本创新的方法和测量机因此允许在时间和成本方面有效率的测量，并且该测量提供高的测量精度。上面提到的目标完全地实现。

在本发明的优选的细化方案中，第一校准值实现在限定的工作位置上的成像光学器件的失真误差的修正，尤其是取决于焦点的失真误差的修正。

因为失真误差可能影响记录的像中的测量物体的边缘和其他特征的位置，失真误差尤其强烈地消极地影响光学测量机的测量精度。因此借助于它们的校准值的失真误差的修正尤其有利地有助于高的测量精度。由于失真误差的修正和由此的必要校准可以被限制到“最佳测量平面”，就本创新的方法和测量机而言，这里此细化方案受益到特定的程度。

在另一细化方案中，初始地将成像光学器件对焦到第一相关区域上，以确定工作距离。

在此细化方案中，借助于第一焦点测量立即确定第一工作距离。随后的成像光学器件的(重新)对焦使得第一相关区域被带到限定的工作位置，从而对应于有目标的散焦。该细化方案允许非常简单并且精确的第一工作距离的确定，尤其是在测量物体具有大量地未知的性质和/或大的公差的情况下。可替换地或附加地，也可以基于CAD数据和测量装置到参考点或参考平面(例如工件台表面)的校准确定第一工作距离。

在本发明的另一细化方案中，在测量物体上限定第二相关区域，该第二相关区域从第一相关区域横向地间隔开，并且使用第二校准值对焦成像光学器件，使得第一相关区域和第二相关区域两者都被尽可能近地带到限定的工作位置(或“最佳测量平面”)。

在一些示例性的实施例中，最佳测量平面可以居中地置于第一和第二相关区域之间(相对于聚焦方向或平行于成像光学器件的光轴)。在其他示例性的实施例中，可以使用加权的标准，在所述加权的标准中，例如考虑到尺寸或第一和第二相关区域之间的尺寸比以将最佳测量平面尽可能最佳地带到两个有关的相关区域。在特定的优选的示例性的实施例中，记录、修正并且评价测量物体的仅一个像，其中基于一个像确定对于第一和对于第二相关区域测量值。该细化方案允许以高的测量精度尤为快速地测量，即使第一和第二相关区域从彼此以一定距离横向地间隔开和/或成像为由于个别的强像场曲率具有变化的锐度的一个像中。

在另一细化方案中，成像光学器件还对焦到第二相关区域上，以确定第二工作距离，并且使用第一工作距离、第二工作距离以及第二校准值对焦成像光学器件，以将第一相关区域和第二相关区域两者都尽可能近地带到限定的工作位置。

在此细化方案中，相对于第二相关区域个别地测量第二工作距离，并且取决于其放置最佳测量平面，并且考虑到第一测量的工作距离。此配置允许在扩展的测量物体的多个相关区域之上的尤为高的测量精度。可替换地或附加地，原则上可想得到，例如在测量或者其他方式确定第一工作距离之后，仅基于CAD数据，确定第二工作距离。

在另一细化方案中，第一相关区域和第二相关区域彼此相接，并且形成共同的相关区域的段。

在此细化方案中，共同的“大的”相关区域被分为两个或更多的段，并且成像光学器件相对于个别的段尽可能最佳地对焦。此细化方案允许以最佳测量精度对大面积的相关区域的测量。

在另一细化方案中，形成可用的CAD数据集，该CAD数据集表现测量物体的标称空间性质，其中基于CAD数据集确定第一和/或第二工作距离。

在此细化方案中，本创新的方法和测量机利用测量物体的标称数据以将最佳测量平面相对于第一和/或第二相关区域尽可能最佳地放置。该细化方案使得可以免除对工作距离的个别的测量，从而加速测量。然而，由于基于CAD数据可以缩小对于第一和/或第二工作距离的测量的搜索区域(其同样地允许快速的测量)，此细化方案结合第一和/或第二工作距离的个别的测量也是有利的。

在另一细化方案中，在测量物体上限定另一相关区域，其中在使用第二校准值已经将另一相关区域带到限定的工作位置之后，记录测量物体的另一像。有利地，在重新对焦成像光学器件之前，通过对焦到另一区域上的方式，测量到另一相关区域的另一工作距离，使用另一工作距离和第二校准值，以将另一相关区域尽可能接近地带到限定的工作位置。

在此细化方案中，以与第一和/或第二相关区域位置不同的最佳测量平面(在聚焦方向上)测量另一相关区域。该细化方案需要成像光学器件的另一对焦，并且因此似乎对于测量时间是不利的。然而，它允许彼此横向地间隔开的不同的相关区域的最佳测量。

在另一细化方案中，确定第一相关区域的面几何中心，并且确定相对于面几何中心的第一工作距离。

在此细化方案中，相对于此相关区域的面几何中心实现成像光学器件的重新对焦和产生的最佳测量平面在第一相关区域的区域或在第一相关区域的区域内的布置。该细化方案允许可重复的测量精度，尤其是相对于大面积的相关区域，并且因此是有利的。

在另一细化方案中，第一校准值还包含用于修正远心度误差和/或彗差的距离相关的修正值，其中依据第一工作距离和距离相关的修正值确定测量值。

在此细化方案中，通过依据要测量的相关区域距成像光学器件的距离个别地修正成像光学器件的像差，本创新的方法和测量机允许甚至进一步提高测量精度。基于已知的空间地相关的第一相关区域的对焦位置和对焦位置从最佳测量平面的距离，距离相关的修正可以相对地容易。

在另一细化方案中，依据第二校准值确定测量物体的表面形貌。

在此细化方案中，本创新的方法和测量机提供测量物体上的测量特征的3D位置信息，其可以有利地用于测量平的，但不水平的测量物体。可以基于表现横向地空间地相关的成像光学器件的焦点的第二校准值，可以很容易并且成本高效地确定“高度信息”。

在另一细化方案中，以值表格的形式提供第二校准值，其中值表格中的每一个值表现空间地相关的焦点位移。

空间地相关的焦点位移可以与最佳测量平面有利地关联，使得值表格中的每一个值表现距离，该距离取决于横向位置，垂直于最佳测量平面。以值表格形式提供第二校准值是很简单并且成本高效的，其(例如)由于基于被成像光学器件记录的点矩阵确定空间地相关的对焦位置。

在另一细化方案中，以空间地相关的多项式系数的形式，特别地已知为泽尔尼克(Zernike)多项式，提供第二校准值。

此细化方案在“中间位置”允许更高的测量精度，所述中间位置在第二校准值的记录过程中未被直接地捕捉。此外，在此情况中用于提供第二校准值的存储器的要求可以保持得小，因此如果成像光学器件横向地捕捉很大的面积，此细化方案是有利的。

在另一细化方案中，第二校准值还包含像场曲率的取向相关的贡献，所述像场曲率由像散像差产生。

在此细化方案中，有利地考虑了相关区域中的测量物体的边缘位置。以此细化方案，由于成像光学器件的像散产生的测量误差被很有效地最小化。测量精度更进一步提高。

不言而喻，可以在不背离本发明的范围的情况下，不仅可以将上面提到的以及尚待在下面解释的诸特征以分别指出的组合使用，也可以以其他组合或单独使用。

附图说明

本发明示例性的实施例在附图中图示，并且在下面的说明书中更详细地解释。在附图中：

图1示出本创新的测量机的示例性的实施例的示意性图示，

图2示出图1的测量机，示出了相对于测量物体的两个不同的工作位置，

图3示出具有第二工作位置的图2的测量机，

图4示出用于阐述本创新的方法的示例性的实施例的流程图，

图5示出测量物体的摄像机像，其中标记了第一相关区域，以及

图6示出具有标记的相关区域的另一摄像机像。

具体实施方式

在图1中，本创新的测量机的示例性的实施例作为整体被指为参考数字10。测量机10具有工件台12，其上布置测量物体14。参考数字16指明相关区域(ROI)，例如测量物体14的边缘延伸于其中。旨在例如测量边缘的位置和/或边缘轮廓。

布置在工件台12之上的是具有图像传感器20和成像光学器件22的摄像机18。摄像机18从而垂直地从上方观测测量物体14，其对于这样的测量机是典型布置。然而，可替换地或附加地，摄像机18或另一摄像机(在此未示出)可以布置在相对于测量物体的不同的定向中。

在优选的示例性的实施例中，图像传感器20是CCD或CMOS传感器，其具有布置为矩阵形式的多个像素。在优选的示例性的实施例中，成像光学器件22至少在物侧上是远心的成像光学器件。在一些优选的示例性的实施例中，成像光学器件22在物侧上并且在像侧上是远心的。然而原则上，成像光学器件22也可以是非远心的成像光学器件。在每种情况中，成像光学器件22包含光学元件(在此未示出)，特别是镜头，用该镜头以本身已知的方式将测量物体14成像在图像传感器20上。事实上，像不是理想的，即成像光学器件22具有由于它的构造的像差和/或个别的像差，造成由图像传感器20记录的测量物体14的像从实际的测量物体14偏离。特别地，成像光学器件22可以显示焦点相关的失真。由于失真，相关区域16中的边缘在摄像机像中可以表现为已经被移动、旋转和/或失真，其对于测量精度是不利的。为了提高测量精度，因此通常地基于(第一)校准值，通过计算的方式，校准由图像传感器20记录的像。典型地相对于具有已知的空间性质的参考测量物体确定(第一)校准值。这样的用于测量机的成像光学器件的校准对于本领域的专家是已知的，因此问题不在此更详细地讨论。

如参考数字24指明的，摄像机18具有可调整的工作位置，或相对于工件台12以及布置在其上的测量物体14可调整的工作距离24。工作距离24特别地对应于成像光学器件22在测量物体14上的焦点设定。各种焦点设置从而对应于各种工作位置。在一些示例性的实施例中，摄像机18可以垂直于工件台12位移，其在此以箭头25的方式指明。此调整方向典型地称为Z轴。可替换地和/或附加地，成像光学器件可以具有可变的焦点设定，其通过例如相对于彼此可移动的镜头元件的方式实现。在一些示例性的实施例中，摄像机18可以附加地相对于工件台12或测量物体14在水平平面(典型地称为XY平面)之内移动。在其他优选的示例性的实施例中，摄像机18和工件台12可以相对于彼此固定地布置在XY平面中。

参考数字26指明照明单元，其在此情况中布置在工件台12之下。相应地，工件台12在此示例性的实施例中是至少部分地透射光。测量物体14在此布置在摄像机18和照明单元26之间，使得摄像机18使用已知为透射光的照明来记录工件14。可替换地或附加地，在其他示例性的实施例中的测量机10可以具有已知为反射光的照明，测量物体14被以其从上方或相对于摄像机18观测方向的一个角度照明。

参考数字28指明评价和控制单元。评价和控制单元28控制摄像机18相对于测量物体14的工作位置以及像记录。此外，评价和控制单元28允许像评价并且从而确定表现测量物体的所需的空间性质的测量值。此外，评价和控制单元28基于(第一)校准值进行由摄像机18记录的像的修正。

为此，评价和控制单元具有处理器30以及与处理器30通信的一个或多个存储器。此处通过范例的形式图示了第一存储器32，其中存储第一校准值，其对于限定的工作位置24表现成像光学器件22的个别的像差。存储器32中的校准值从而允许所述的像差的计算的修正。

根据本发明的一个方面，测量机10具有第二存储器34，其中存储明确地表现成像光学器件22所谓的像场曲率(焦平面偏差)的第二校准值。摄像机18的像场曲率将在下面参考图2至图3更详细地解释。

此处存储在第三存储器36中的是评价和控制程序，其使得处理器30执行摄像机18的控制以及记录的像的评价。

参考数字38指明显示器，其表现界面，经由所述界面用户可以限定一个或多个相关区域16。在一些示例性的实施例中，显示器38是触摸屏监视器，并且用户可以基于测量物体14的显示的像40指定一个或多个相关区域16。在一些示例性的实施例中，可以基于CAD数据42限定相关区域，该CAD数据表现测量物体14的标称性质。可替换地或附加地，显示器38可以显示测量物体14的当前的像，并且用户可以基于当前的像限定相关区域16。应当理解，对触摸屏监视器可替换地或附加地，使用鼠标和/或键盘或另一输入媒介的操作也是可能的。

在下面的附图中，在每种情况中相同的参考数字指明如图1中相同的元素。

图2示出测量物体14和摄像机18，其中所述摄像机18具有摄像机18相对于测量物体14的两个不同的工作距离24a，24b，并且因此具有对于校准的“最佳测量平面”两个不同的工作位置46a，46b。此外，参考数字44以举例的方式(并且在此情况中以夸大的方式)图示摄像机18的像场曲率。曲线44表明成像光学器件22的最佳焦点取决于横向的位置，即取决于在XY平面之内的观测位置，其中所述XY平面垂直于成像光学器件22的光轴45。通过举例的方式，如果摄像机18对焦在工作位置24a上，相关区域16a中的边缘被最佳地置于焦点，然而如果摄像机18对焦到工作位置24b上，在相对于相关区域16a横向地位移的相关区域16b中的边缘被最佳地置于焦点。在两种情况中，最佳焦点都不位于测量平面46a，46b之内，其中所述测量平面46a，46b表现基于以存储器32中的第一校准值的校准的最佳测量平面。基于以第一校准值校准，特别是对于位于测量平面46中的全部那些测量物体点，计算地修正成像光学器件22的失真。

根据图3，本创新的方法和测量机从而包含成像光学器件22在工作位置上的对焦，使得最佳测量平面46形成尽可能精确地位于在相关区域16的位置。换而言之，在本创新的方法和测量机中对焦成像光学器件22，使得第一相关区域16被尽可能接近地带到工作位置，其中对于所述工作位置基于以第一校准值的校准，实现最小的失真和/或其他个别体的像差的最小化。在一些优选的示例性的实施例中，对焦发生在至少两个步骤中，如下面参考图4解释的。

根据步骤50，本创新的方法前面是成像光学器件22的校准或测量机10的校准。校准产生第一校准值，所述第一校准值被选择，使得基于第一校准值的记录的像的计算的修正提供对于限定的工作位置的所需的高测量精度。对于在一个限定的工作位置的像记录，成像光学器件22的像差以及测量机10可能造成的任何其他误差(例如来自机械引导件的制造公差)最小化。

根据步骤52，本创新的方法开始于测量物体14在工件台12上的定位。此外，根据步骤54、56，限定测量物体14上的一个或多个相关区域ROI。甚至可以在步骤52之前(即在将个体的测量物体14置于工件台12上之前)限定相关区域。如参考图2图示的，可以限定一个测量物体14上的多个相关区域16a，16b。

根据步骤58，成像光学器件22对焦在一个或多个相关区域16a，16b上。在优选的示例性的实施例中，将成像光学器件22连续地对焦到多个可能的工作位置上，例如通过将成像光学器件22运行穿过它的整个对焦范围。在成像光学器件22(由于它的构造)具有很大的工作或对焦范围的情况下，成像光学器件22仅对焦穿过整个工作或对焦范围的一部分即可能足够，选择所述的一部分取决于之前限定的相关区域，使得覆盖全部相关区域。

在优选的示例性的实施例中，由于处理器30顺序地递增地调整摄像机和/或成像光学器件22相对于测量物体的焦点设定，并且在每个增量触发像记录，因此对焦在一个或多个相关区域16a，16b上是自动的。可以通过本身已知的基于在相邻的像点之间的阈值标准的方式，确定一个或多个相关区域16a，16b的个体的聚焦位置。可替换地或附加地，用户可以手动地对焦到一个或多个相关区域16a，16b上。此外，用于确定一个或多个相关区域16a，16b的精确聚焦位置的其他常规方法原则上也可以。

为了简明，下面假设初始地仅对于测量物体上的一个相关区域16确定测量值。根据步骤60，限定距离D(见图3)，其中所述距离D为在聚焦方向上(即平行于光轴)，在对于所选的相关区域16的最佳局部焦点以及基于校准为最佳的测量平面46(BMP)之间的距离。本创新的方法和测量机在此利用来自存储器34的表现摄像机18的像场曲率44的第二校准值。在一些示例性的实施例中，附加地使用测量物体14的CAD数据，尤其是如果一定要对于多个相关区域确定各个距离D(n)。

根据步骤62，接下来重新对焦摄像机18，使得最佳测量平面46尽可能接近相关区域16。在一些优选的示例性的实施例中，借助于重新对焦操作，相关区域被精确地带入最佳测量平面46之内，如图3图示的。从“根据步骤58，焦点被之前最佳地设定在相关区域16上的”事实出发，步骤62从而包含相对于相关区域16散焦。从而有意地将相关区域16从最佳局部焦点移除，而带入到基于校准为最佳的测量平面46，同时接受造成的局部像锐度的劣化。

在实际的示例性的实施例中，这意味着根据步骤62重新对焦摄像机18造成不同的对焦位置，这取决于所选的相关区域在垂直于光轴45的横向工作平面中所处位置。

根据步骤64，测量机10接下来记录现已找到的工作位置中的测量物体的像。根据步骤66，借助于第一校准值修正像，从而在像评价之前将特别是成像光学器件22的失真最小化。根据步骤68，基于修正的像确定对于相关区域16的测量值。与此不同，在其他示例性的实施例中也可以基于未修正的像首先确定临时的测量值，并且接下来借助于相应所选的第一校准值修正临时的测量值。

在一些示例性的实施例中，由于不同的个别的对焦位置在横向的工作平面之内表现高度信息，还可以可选择地根据步骤70，使用来自存储器34的第二校准值，确定测量物体14的形貌(topography)。

如已经指明的，本创新的方法和测量机在一些示例性的实施例中利用多个相关区域，如例如图2中图示的。在一些变体中，对于多个相关区域分别地进行根据步骤64记录多个像和根据步骤62的重新对焦。在这些变体中，可以在记录对应的像之前，将多个相关区域中的每一个带入到最佳测量平面46之内并且评价。因此，这些变体允许对于每个相关区域很高的测量精度。

在其他的变体中，本创新的方法和测量机在每种情况中利用仅一个像记录，即在步骤64中记录单个的像且根据步骤66修正单个的像，对于多个相关区域的测量值根据基于该一个修正的像根据步骤68来确定。在这些示例性的实施例中，有利的是实现重新对焦，使得最佳测量平面46被尽可能接近全部评价的相关区域，例如被带到根据最佳拟合算法的多个最佳局部聚焦位置之间。在一些示例性的实施例中，最佳测量平面被居中地(在聚焦方向上)带到多个相关区域的最佳聚焦位置之间。

在一些示例性的实施例中，在已经根据步骤58确定对于第一相关区域的第一工作距离之后，CAD数据可以有利地用于快速确定从第二相关区域的第二工作距离。此外，一些示例性的实施例还为基于测量物体的CAD数据要确定的第一工作距离做好准备。为此，可以有利地将最佳测量平面校准到工件台12的表面上。

在一些示例性的实施例中，不仅基于步骤66中的第一校准值修正成像光学器件22的失真，而且修正距离相关的远心度和/或距离相关的彗差和/或距离相关的失真，其中基于第二校准值或基于像场曲率并且基于相关区域的局部聚焦位置，确定(在聚焦方向上)距离信息。

图5示出测量物体的像40’，该物体具有近似于孔的圆形边缘轮廓74。参考数字16’在此情况中标记具有矩形的相关区域。相关区域16’具有面几何中心76并且相对于边缘轮廓74定位，特别地使得面几何中心76来到位于边缘轮廓74的区域。在一些优选的示例性的实施例，根据步骤58对焦到相关区域16’上相对于面几何中心76以有目标的方式进行。如果限定延伸的相关区域，这是尤其有利的。在一些示例性的实施例中，相关区域可以具有偏离由此示出的方块的形状，特别是自由形状。通过举例的方式，相关区域16’可以遵循要被测量的边缘的边缘轮廓74。通过对焦到面几何中心76的方式，甚至对于这样的相关区域可以进行有目标的重新对焦，其有利于高测量精度。

图6示出具有边缘轮廓74的另一像40”。在此情况中，标记多个相关区域16a，16b，16c，其彼此相接，并且从而形成共同的相关区域的段。在此示例性的实施例中，对于多个相关区域16a，16b，16c中的每一个确定最佳聚焦位置，并且以使得相关区域16a，16b，16c各自被尽可能接近一个最佳测量平面的方式有利地实现重新对焦。如上面已经提到的，这可以使用最佳拟合算法有利地实现。在其他示例性的实施例中，最佳测量平面被居中地带到位于最接近或最远离工件台表面或其他参考点的两个聚焦位置之间。

Claims (16)

1.一种用于确定测量物体(14)的空间性质的方法，包含步骤：

-提供光学测量机(10)，其包含工件台(12)以及具有图像传感器(20)和成像光学器件(22)的摄像机(18)，其中所述成像光学器件(22)展示像差，并且配置为相对于所述工件台(12)对焦在多个不同的工作位置上，

-提供第一校准值(32)，其被选择为使得所述像差对于来自所述多个不同的工作位置的限定的工作位置(46)被最小化，

-提供表现所述摄像机(18)的像场曲率(44)的第二校准值(34)，

-在所述工件台(12)上定位所述测量物体(14)，

-在所述测量物体(14)上限定第一相关区域(16)，

-确定所述摄像机(18)至所述第一相关区域(16)的第一工作距离(24)，

-使用所述第一工作距离(24)和所述第二校准值(34)对焦所述成像光学器件(22)，使得所述第一相关区域(16)被带入所述限定的工作位置(46)，

-当所述第一相关区域(16)在限定的工作位置(46)上时，记录所述第一相关区域(16)的像(40)，以及

-基于所述像(40)并且基于所述第一校准值(32)，确定表现所述测量物体(14)在所述第一相关区域(16)中的所述空间性质的测量值。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一校准值(32)实现在所述限定的工作位置(46)的所述成像光学器件(22)的失真误差的修正。

3.如权利要求1或2中所述的方法，其中所述成像光学器件(22)初始地对焦在所述第一相关区域(16)上，以便确定所述第一工作距离(24)。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中在所述测量物体(14)上限定第二相关区域(16b)，所述第二相关区域(16b)从所述第一相关区域(16；16a)横向地间隔开，并且其中使用所述第二校准值(32)对焦所述成像光学器件(22)，使得所述第一相关区域(16；16a)和所述第二相关区域(16b)两者都被尽可能接近地带入所述限定的工作位置。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述成像光学器件(22)被进一步对焦所述第二相关区域(16b)上，以便确定第二工作距离(24b)，并且其中使用所述第一工作距离(24；24a)、所述第二工作距离(24b)以及所述第二校准值(34)对焦所述成像光学器件(22)，以便将所述第一相关区域(16；16a)和所述第二相关区域(16b)两者都尽可能接近地被带入所述限定的工作位置(46)。

6.如权利要求4所述的方法，其中所述第一相关区域(16a)和所述第二相关区域(16b)彼此相接并且形成共同的相关区域的段。

7.如权利要求5所述的方法，其中提供表现所述测量物体(14)的标称空间性质的CAD数据集(42)，并且其中基于所述CAD数据集(42)确定所述第一工作距离和/或第二工作距离。

8.如权利要求1或2所述的方法，其中在所述测量物体(14)上限定另一相关区域，并且其中在使用所述第二校准值(32)将所述另一相关区域已经带入所述限定的工作位置(46)之后，记录所述测量物体(14)的另一像。

9.如权利要求1或2所述的方法，其中确定所述第一相关区域(16)的面几何中心(76)，并且其中相对于所述面几何中心(76)确定所述第一工作距离。

10.如权利要求1或2所述的方法，其中所述第一校准值(32)还包含用于修正远心度误差和/或彗差的距离相关的修正值，并且其中依据所述第一工作距离和所述距离相关的修正值确定所述测量值。

11.如权利要求1或2所述的方法，其中依据所述第二校准值(34)确定所述测量物体(14)的表面形貌。

12.如权利要求1或2所述的方法，其中以值表格的形式提供所述第二校准值(34)，其中所述值表格中的每一个值表现空间地相关的焦点位移。

13.如权利要求1或2所述的方法，其中以空间地相关的多项式的系数的形式，提供所述第二校准值。

14.如权利要求1或2所述的方法，其中以泽尔尼克多项式的系数的形式，提供所述第二校准值。

15.如权利要求1或2所述的方法，其中所述第二校准值(32)还包含由像散像差造成的所述像场曲率(44)的取向相关的贡献。

16.一种用于确定测量物体(14)的空间性质的测量机，包含：

工件台(12)以及具有图像传感器(20)和成像光学器件(22)的摄像机(18)，其中所述成像光学器件(22)展示像差，并且配置为相对于所述工件台(12)对焦在多个不同的工作位置上，

用于提供第一校准值的第一存储器(32)，所述第一校准值被选择使得所述像差对于来自所述多个不同的工作位置中的限定的工作位置(46)被最小化，

第二存储器(34)，其用于提供表现所述摄像机(18)的像场曲率的第二校准值，以及

评价和控制单元(28)，其具有用于在所述测量物体(14)上限定第一相关区域(16)的界面(38)，

其中所述评价和控制单元(28)配置为：

a)确定所述摄像机(18)至所述第一相关区域(16)的第一工作距离(24)，

b)使用所述第一工作距离(24)并且使用所述第二校准值对焦所述成像光学器件(22)，使得所述第一相关区域(16)被带入所述限定的工作位置(46)，

c)当所述第一相关区域(16)在所述限定的工作位置(46)上时，使用所述摄像机(18)记录所述第一相关区域(16)的像(40)，以及

d)基于所述像(40)并且基于所述第一校准值，确定表现所述测量物体(14)在所述第一相关区域(16)中的所述空间性质的测量值。