DE102004058655A1

DE102004058655A1 - Verfahren und Anordnung zum Messen von Geometrien eines Objektes mittels eines Koordinatenmessgerätes

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Publication number: DE102004058655A1
Application number: DE102004058655A
Authority: DE
Original assignee: Werth Messtechnik GmbH
Current assignee: Werth Messtechnik GmbH
Priority date: 2004-09-07
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2024-12-07
Also published as: DE102004058655B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zum Messen von im Wesentlichen zweidimensionalen Geometrien bzw. Strukturen eines Objekts mittels eines Koordinatenmessgerätes unter Verwendung einer CCD-Kamera, die in gewünschter Position relativ zu dem Objekt ausgerichtet wird, um sodann an mehreren Stellen Teilbilder aufzunehmen, die zu einem Gesamtbild mit äquidistanten Bildpunkten zusammengefügt werden, um sodann das Gesamtbild mittels zumindest einer Auswerteeinheit auszuwerten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen von im Wesentlichen zweidimensionalen Geometrien bzw. Strukturen eines Objekts mittels eines Koordinatenmessgerätes.

Zum Messen der Geometrie von überwiegend zweidimensionalen Objekten wie Werkstücken oder -zeugen, insbesondere zur messtechnischen Erfassung von Qualitätsmerkmalen, werden vorzugsweise Koordinatenmessgeräte mit Bildverarbeitungssensorik wie CCD-Kameras eingesetzt. Diese Geräte sind üblicherweise so aufgebaut, dass das zu messende Objekt von unten beleuchtet wird, mittels eines Kreuztisches bewegt wird und interessierende Messobjektstrukturen von oben mit einem Bildverarbeitungssensor gemessen werden. Der Nachteil des beschriebenen Konstruktionsprinzips besteht darin; dass bei unterschiedlich dicken Objekten der Bildverarbeitungssensor nachfokus siert werden muss. Das ebenfalls beim Auftreten kleinster Höhenstufungen am Objekt erforderliche Nachfokussieren verzögert den Messablauf.

Es ist weiterhin üblich, die Bildverarbeitungssensorik zum Messen bestimmter Merkmale an dem jeweiligen Ort des Merkmals zu positionieren, sodann die Werkstückkonturen aufzunehmen und später zu berechnen. Ein Gesamtüberblick des Messobjektes wird somit nicht gewonnen.

Ferner werden einzelne Bereiche des Messobjektes mehrfach angefahren, um nahe beieinander liegende Merkmale nacheinander aufzunehmen. Dies führt ebenfalls zur Verlängerung der Messzeit.

Es sind auch so genannte Scannersysteme bekannt, bei denen mit zeilenförmigen Sensoren größere Abschnitte eines Bereiches abgescannt werden. Der Nachteil solcher Systeme liegt darin, dass die Bildinformation aus einer linearen Scannbewegung in einer ersten Richtung und der Sensorgeometrie in einer zweiten Richtung zusammengefügt werden. Die spezielle Geometrie der Sensorik erfordert ebenfalls Abbildungsoptiken, die grundsätzlich eine hochwertige Abbildung nicht zulassen. Im Ergebnis sind die nach diesem Prinzip hergestellten Messgeräte nur mit einer geringen Genauigkeit ausgestattet.

Aus der DE-A-196 25 361 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur geometrischen Vermessung großer Objekte mit einer Mehrkamera-Anordnung bekannt. Die verwendeten Kameras werden auf charakteristische Teile des. zu messenden Objektes gerichtet. Mittels einer Kalibriervorlage erfolgt eine eindeutige Zuordnung der Objektfelder in einem Raumkoordinatensystem.

Nach der DE-A-40 26 942 sind in einem einer Kamera zugeordneten Bildspeicher mehrere Bilder abspeicherbar. Bei den Bildern handelt es sich um solche, die in verschiedenen Winkelstellungen der Kamera aufgenommen sind. Eine entsprechende Lösung findet sich auch in der DE-A-39 41 144.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein Verfahren sowie eine Anordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass mit hoher Messgenauigkeit überaus schnell zweidimensionale Objekte bzw. deren Geometrien, insbesondere Objektkanten und -ecken und -ränder gemessen werden können.

Zur Lösung des Problems wird im Wesentlichen vorgeschlagen ein Verfahren zum Messen von im Wesentlichen zweidimensionalen Geometrien bzw. Strukturen eines Objekts mittels eines Koordinatenmessgerätes unter Verwendung einer einen Bildverarbeitungssensor wie einer oder mehrerer CCD-Kameras umfassenden Bildverarbeitungssensorik mit an diese angeschlossenem Bildspeicher, wobei der Bildverarbeitungssensor in gewünschter Position zu dem Objekt und/oder das Objekt zu dem Bildverarbeitungssensor ausgerichtet wird, an mehreren Stellen von zu messendem Bereich des Objekts Teilbilder aufgenommen werden, die Teilbilder in dem Bildspeicher zu einem Gesamtbild oder Gesamtmessbild mit äquidistanten oder nahezu äquidistanten Bildpunkten zusammengefügt werden und sodann das Gesamtbild bzw. Gesamtmessbild mittels zumindest einer Auswerteeinheit ausgewertet wird.

Insbesondere ist vorgesehen, ein Gesamtbild bzw. Gesamtmessbild mit geometrisch exakten äquidistanten Bildpunkten zu erzeugen.

Dabei kann das Zusammenfügen zu einem Gesamtbild bzw. Gesamtmessbild mit äquidistanten bzw. nahezu äquidistanten Bildpunkten nicht nur durch mathematische Korrekturverfahren erfolgen, mit denen die Teilbilder – die üblicherweise zueinander äquidistante Raster nicht aufweisen- bearbeitet werden, um diese zu einem Gesamtbild mit äquidistantem bzw. nahezu äquidistantem Bildpunkt zusammenzufügen. Es besteht vielmehr auch die Möglichkeit, unter Zugrundlegung eines äquidistanten Bildpunktrasters entsprechend diesem einen Bildsensor zu positionieren, so dass die zusammengesetzten Teilbilder ein Gesamtbild bzw. Gesamtbildnis mit äquidistanten oder nahezu äquidistanten Bildpunkten ergeben, ohne dass entsprechende Korrekturen erforderlich sind.

Ohne die Erfindung zu verlassen, sieht daher ein von der erfindungsgemäßen Lehre erfasster selbständiger Lösungsvorschlag vor, dass zur Gewinnung eines Gesamtbildes bzw. Gesamtmessbildes mit äquidistanten bzw. nahezu äquidistanten Bildpunkten eine genaue Positionierung des Bildverarbeitungssensors unter Zugrundelegung eines Bildpunktrasters mit äquidistanten bzw. nahezu äquidistanten Bildpunkten erfolgt.

Als mathematisches Korrekturverfahren zur Erzielung eines aus den Teilbildern bestehenden Gesamtbildes bzw. Gesamtmessbilds mit geometrisch exakt äquidistanten Bildpunkten können ein Re-sampling-Verfahren oder andere Interpolationsverfahren verwendet werden.

Um ein Gesamtbild bzw. Gesamtmessbild mit äquidistanten bzw. nahezu äquidistanten, insbesondere geometrisch exakt äquidistanten Bildpunkten zu erzeugen, erfolgt die Berechnung der Amplitude eines jeden Bildpunktes für ein äquidistantes Bildpunktraster für das Gesamtmessbild durch Interpolation benachbarter ursprünglich gemessener Bildpunktamplituden.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die Bildpunkte der Teilbilder selbst vor oder während des Zusammenfügens zum Gesamtbild durch mathematische Korrekturverfahren auf ein äquidistantes Pixelraster transformiert werden.

Um ein Verschieben der Teilbilder, die der Ist- und Soll-Position zugeordnet sind, zu ermöglichen, entspricht das Teilbild einem durch ein Messfenster bestimmten Bereich des durch den Bildverarbeitungssensor in einer Messposition aufgenommenen Bildes.

Während der Messung kann das Objekt mit einem Lichtblitz beaufschlagt und/oder als Bildverarbeitungssensor eine CCD-Kamera mit Shutter verwendet werden.

In Weiterbildung kann eine Abbildungsoptik mit veränderlichem Arbeitsabstand, insbesondere einer Abbildungsoptik mit einer Zoomoptik verwendet werden, die wenigstens zwei axial jeweils separat motorisch verschiebbare Linsengruppen enthält.

Der Bildverarbeitungssensor kann oberhalb oder unterhalb des zu messenden Objekts oder auch seitlich von diesem angeordnet werden.

Eine Messung kann im Auflicht-Dunkelfeld, Auflicht-Hellfeld oder im Durchlicht erfolgen. Auch besteht die Möglichkeit, das Objekt im Dauerlicht zu beleuchten, wobei das Objekt bzw. Teilbereich dieses durch Öffnen eines Verschlusses einer Kamera wie CCD-Kamera auf den optischen Sensor wie CCD-Matrix abgebildet wird.

Ferner besteht die Möglichkeit, bei bewegtem Bildverarbeitungssensor und/oder bewegtem Objekt zumessen.

Wird das Objekt von oberhalb oder unterhalb von diesem angeordneten Bildverarbeitungssensor gemessen, so sollte das zu messende Objekt auf einer Beleuchtungseinrichtung vorzugsweise in Form einer leuchtenden Fläche angeordnet werden.

Als Abbildungsoptik des Bildverarbeitungssensors kann auch ein telezentrisches Objektiv mit großer Schärfentiefe verwendet werden.

Die Position des Bildverarbeitungssensors bzw. des Objekts wird mit diesem zugeordneten X-Y-Antrieben verstellt, wobei die Position durch entsprechende Linearmaßstäbe gemessen wird.

Losgelöst hiervon sollte das Verstellen des Objekts bzw. des oder der Bildverarbeitungssensoren mittels einer Positioniereinrichtung erfolgen, wobei bei Erreichen vorgegebener Koordinatenwerte des Koordinatenmessgerätes das Objekt gemessen wird.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfähren zum Messen von Geometrien bzw. Strukturen von einem im Wesentlichen zweidimensionalen Objekt unter Verwendung einer einen Bildverarbeitungssensor wie eine oder mehrere CCD-Kameras umfassende Bildverarbeitungssensorik mit an dieser angeschlossenem Bildspeicher, wobei das zu messende Objekt auf einer Objektauflagefläche und oberhalb des Objekts die Bildverarbeitungssensorik angeordnet werden, mittels der Bilder des Objekts aufge nommen und in dem Bildspeicher abgespeichert werden, und zeichnet sich dadurch aus, dass mittels der Bildverarbeitungssensorik an mehreren Stellen von zu messendem Bereich des Objekts Bilder aufgenommen werden, dass die Bilder in dem den Messbereich repräsentierenden Bildspeicher zu einem Gesamtbild oder Gesamtmessbild zusammengefügt und sodann das Gesamtbild bzw. Gesamtmessbild mittels einer oder mehrerer Auswerteeinheiten ausgewertet wird.

Erfindungsgemäß ist eine exakte Positionierung des Bildverarbeitungssensors wie insbesondere CCD-Matrixsensors auf eine vorgegebene Ziel- oder Sollposition nicht erforderlich. Vielmehr muss allein die Ist-Position des Sensors bekannt sein, die ausreicht, um aus den in den Ist-Positionen des Sensors aufgenommenen Teilbildern in dem Bildspeicher ein Gesamtbild darzustellen, das sich aus geometrisch exakten äquidistanten Bildpunkten zusammensetzt.

Mit anderen Worten werden insbesondere die Nachteile des Standes der Technik durch die erforderliche genaue Positionierung von Matrix- und Bildverarbeitungssensoren bzw. nachgeschalteten Korrekturmaßnahmen zur Erzielung eines äquidistanten Bildpunktrasters im zusammengesetzten Bild vermieden.

Erfindungsgemäß ermöglichen die Korrekturverfahren u. a., dass die exakte Positionierung (Soll-Position) des Sensors nicht notwendig ist; sondern vielmehr die Kenntnis der exakten Position (Ist-Position) des Sensors ausreicht, ohne dass vorgegebene Zielpositionen exakt angefahren werden müssen. Unter Kenntnis der Differenz zwischen Ist- und Soll-Position werden die aufgenommenen Teilbilder rechnerintern um den Betrag der Differenz zwischen der Ist- und Soll-Position verschoben. Hierfür können vorteilhaft Verfahren benutzt werden, die aus der Fachliteratur hinreichend bekannt sind und unter dem Sammelbegriff des Re-samplings beschrieben sind. Bei diesen Verfahren werden jedem Bildpunkt neue Helligkeitswerte zugeordnet, wobei die neuen Helligkeitswerte abhängig von den Helligkeitswerten der benachbarten Bildpunkte sind.

Das Verfahren zeichnet sieh auch dadurch aus, dass beim Zusammenfügen der Teilbilder die Bildsensor-Soll-Position der Teilbilder mit der Bildsensor-Ist-Position der Teil bilder verglichen wird und die Teilbilder durch mathematische Verfahren in das theoretische Pixelraster mit äquidistanten Punkten zusammengefasst werden.

Ferner ist vorgesehen, dass beim Zusammenfügen der Teilbilder zur Erreichung konstanter Abstände der Bildpunkte im zusammengesetzten Bild (Gesamtbild bzw. Gesamtmessbild) die Ist-Position des Bildsensors zum Zeitpunkt der Aufnahme eines Teilbildes mit der berechneten Soll-Position verglichen wird, die notwendig ist, um das Teilbild im Pixelraster des Gesamtbildes aufzunehmen, und das Ergebnis des Vergleichs verwendet wird, um das Teilbild rechnerintern durch mathematische Korrekturverfahren auf das Pixelraster des Gesamtbildes zu schließen.

Bei vorhandener Verdrehung des Bildsensors sollte beim Zusammenfügen der Teilbilder die vorab bestimmte Verdrehung des Bildsensors gegenüber einer Positioniereinrichtung verwendet werden, um das aufgenommene Bild rechnerintern mit Hilfe mathematischer Korrekturverfahren auf ein Pixelraster zu transformieren, das parallel zu der Verfahrrichtung bzw. Verfahrrichtungen des Bildverarbeitungssensors wie CCD-Kamera oder anderen Koordinatenachsen verläuft. Entsprechendes gilt, wenn das Objekt bzw. Objekt und Bildverarbeitungssensor verfahrbar sind.

Um Abbildungsfehler in der Bildverarbeitungssensorik insbesondere verwendeter Objektive wie Verzeichnungen oder nicht ordnungsgemäße Justage des Abbildungssystems wie .B. Verkippung der Kamera zu korrigieren, ist vorgesehen, dass die Bildpunkte der Teilbilder selbst vor oder während des Zusammenfügens zum Gesamtbild durch mathematische Korrekturverfahren auf ein äquidistantes Pixelraster transformiert werden.

Erfindungsgemäß können mittels der Bildverarbeitungssensorik an mehreren Positionen des Messbereichs Bilder aufgenommen werden und diese rechnerisch im Bildspeicher zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden. Auch besteht die Möglichkeit, über den gesamten Messbereich verteilt Bilder aufzunehmen und diese zu einem Gesamtmessbild zusammenzufügen. Dabei kann das Gesamtbild hinsichtlich geometrischer Merkmale mit einem Bildverarbeitungssystem ausgewertet werden. Zum Beispiel kann das Sehfeld des Sensors 50 × 80 mm² und der Messbereich 400 × 200 mm² betragen, um nur beispielhaft Zahlen zu nennen.

Zur Messzeitoptimierung werden erfindungsgemäß wahlweise das gesamte Messfeld oder Ausschnitte des Messfeldes durch Aneinanderreihen von Positionen des Bildverarbeitungssensors abgerastert. Hieraus wird virtuell im angeschlossenen Bildverarbeitungsrechner ein Gesamtbild erzeugt. Die messtechnische Auswertung erfolgt im Gesamtbild in einem Zug. Es werden somit Positioniervorgänge gespart und ein Gesamtüberblick über das zu messende Objekt gewonnen.

Auch Ausschnitte des Messfeldes selbst können- als Teilgesamtmessbild dargestellt und sodann mit einem Bildverarbeitungssystem ausgewertet werden.

Insbesondere werden die Nachteile des Standes der Technik durch die genaue Positionierung von matrixförmigen Bildverarbeitungssensoren vermieden.

Eine Anordnung zum Messen von im Wesentlichen zweidimensionalen Geometrien bzw. Strukturen eines Objektes mittels eines Koordinatenmessgerätes umfassend eine einen Bildverarbeitungssensor wie CCD-Kamera umfassende Bildverarbeitungssensorik zumindest eine Positioniereinrichtung für den Bildverarbeitungssensor und/oder das zu messende Objekt sowie einen mit einer Recheneinheit verbundenen Bildspeicher zeichnet sich dadurch aus, dass von dem Bildverarbeitungssensor aufgenommene Teilbilder des zu messenden Objekts mittels der Rechnereinheit auf den Bildspeicher als Gesamtbild mit geometrisch äqüidistanten Bildpunkten dargestellt ist.

Dabei entspricht der Bildspeicher zumindest Größe des gewünschten oder gesamten Messbereichs des Objekts. Der Bildspeicher selbst ist mit einer Auswerterechenenheit zur geometrischen Auswertung des Gesamtbildinhalts verbunden. Als Bildveiarbeitungssensorik wird eine solche verwendet, die zumindest einen Bildverarbeitungssensor wie CCD-Matrixkamera umfasst.

Der Bildverarbeitungssensor kann unterhalb oder oberhalb des Objekts oder seitlich zu diesem angeordnet sein.

Sofern der Sensor oberhalb oder unterhalb des Objekts positioniert ist, sollte das Objekt auf einer Beleuchtungseinrichtung wie einer leuchtenden Fläche angeordnet sein.

Als Abbildungsoptik der Bildverarbeitungssensorik kann ein telezentrisches Objektiv mit großer Schärfentiefe verwendet werden.

Erfindungsgemäß bezieht sich die Erfindung im Wesentlichen auf eine Anordnung und ein Verfahren zum Messen von im Wesentlichen zweidimensionalen Geometrien bzw. Strukturen eines Objekts mittels eines Koordinatenmessgerätes unter Verwendung z.B. einer CCD-Kamera, die in gewünschter Position relativ zu dem Objekt ausgerichtet wird, um sodann an mehreren Stellen Teilbilder aufzunehmen, die zu einem Gesamtbild mit äquidistanten Bildpunkten zusammengefügt werden, um sodann das Gesamtbild mittels zumindest einer Auswerteeinheit auszuwerten.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer Anordnung zum Messen eines zweidimensionalen Objektes,
2a + 2b eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Messverfahrens,
3a + 3b eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines Messverfahrens
4a, 4b, 4c eine Prinzipdarstellung des Messens eines Kreises und
5a, 5b, 5c eine Prinzipdarstellung des Ausrichtens von äquidistanten Bildpunkten.
In 1 ist rein prinzipiell eine Anordnung zum Messen eines im Wesentlichen zweidimensionalen Objektes 10 dargestellt, das auf einer Objektauflagefläche 12 angeordnet, ohne dass hierdurch eine Beschränkung der Erfindung erfolgen soll.
Die Fläche 12 ist durchsichtig und insbesondere als Glasplatte ausgebildet, um das Objekt 10 von der Unterseite her beleuchten zu können. Oberhalb der Objektauflagefläche 12 ist eine Bildverarbeitungssensorik 14 in X- und Y-Richtung eines Koordinatenmessgerätes verstellbar angeordnet. Die Bildverarbeitungssensorik 14 umfasst bevorzugterweise eine CCD-Matrixkamera 16, der eine Optik 18 insbesondere in Form eines telezentrischen Objektivs mit großer Schärfentiefe vorgeordnet ist.
Zum Beleuchten des Objektes 10 ist unterhalb von diesem, also in Bezug auf die Bildverarbeitungssensorik 14 auf der gegenüberliegenden Seite des Objekts 10 eine Beleuchtung insbesondere in Form eines flächigen Leuchtfeldes 22 vorgesehen.
Um mit hoher Geschwindigkeit präzise Messungen durchzuführen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Bildverarbeitungssensorik 14 an mehreren Positionen 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38 des zu messenden Bereichs des Objekts 10 Teilbilder aufnimmt, die in den 2a und 3a durch von gestrichelten Linien umrahmte Quadrate repräsentiert werden, um die jeweiligen Teilbilder sodann rechnerisch in einem Bildspeicher zu einem Gesamtbild gemäß 2b oder bei verteilt aufgenommenen Bildern (3a) diese zu einem Gesamtmesssbild gemäß 3b zusammenzufügen. Aus den jeweiligen Gesamtbild 40 bzw. 42 können sodann geometrische Merkmale wie Position eines Messortes 44, 46 oder Abstand 48, 50 der Messpunkte bzw. Messorte ausgewertet werden.
Jedes Teilbild wird abmessungsmäßig durch ein Messfenster vorgegeben, das ein Bereich des Sehfelds des Bildverarbeitungssensors 14 ist.
Die Teilbilder 24, 25, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 37, 38 können z. B. jeweils eine Größe von 50 × 80 mm² und der Messbereich 400 × 200 mm² aufweisen, ohne dass dies einschränkend zu verstehen ist.
Mit anderen Worten werden zur Messzeitoptimierung erfindungsgemäß wahlweise das gesamte Messfeld (2a) oder Ausschnitte des Messfeldes (3a) durch Aneinanderreihen von Positionen des Bildverarbeitungssensors wie Matrix-CCD-Kamera 16 abgerastert. Hieraus wird virtuell in einem angeschlossenen Bildverarbeitungsrechner ein Gesamtbild 40, 42 erzeugt, wobei die messtechnische Auswertung im Gesamtbild in einem Zug erfolgt. Somit werden Positioniervorgänge gespart und ein Gesamtüberblick über das zu messende Objekt 10 gewonnen. Durch diese Maßnahmen werden die Nachteile des Standes der Technik durch die notwendige genaue Positionierung von matrixförmigen Bildverarbeitungssensoren vermieden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass aus den Teilbildern 24, 25, 26, 28, 30; 32, 34, 36, 37, 38 ein Gesamtbild erzeugt wird, das aus geometrisch exakt äquidistanten Bildpunkten besteht.
Mit anderen Worten besteht jedes Teilbild aus einem Pixelraster, wobei durch insbesondere Re-Sampling-Verfahren oder andere geeignete Korrekturverfahren die Teilbilder sodann zu einem Gesamtbild derart zusammengesetzt werden, dass sich ein Gesamtpixelraster mit äquidistanten Punkten ergibt. Ein etwaiger Versatz zwischen Messpunkten zwischen den einzelnen Teilbildern wird sodann ebenfalls -korrigiert. Dies soll anhand der 4a, 4b und 4c verdeutlicht werden.
Um einen Kreis 62 zu messen, wird im Ausführungsbeispiel des Kreises 62 in vier Ist-Positionen gemessen, wobei in den Ist-Positionen Teilbilder 52, 54, 56 und 58 aufgenommen werden. Da die Aufnahmen grundsätzlich nicht in vorgegebenen Soll-Positionen erfolgt, bilden die zusammengesetzten Teilbilder kein Gesamtbild mit äquidistanten Bildpunkten bzw. äquidistantem Raster (4a).
Die Teilbilder 52, 54, 56, 58 werden sodann gemäß 4b zu einem Gesamtbild mit äquidistanten Bildpunkten zusammengesetzt. Aufgrund der Abweichung zwischen Soll- und Ist-Positionen, bei denen die Teilbilder 52, 54, 56, 58 aufgenommen worden sind, besteht der Kreis 62 aus zueinander versetzten Abschnitten, die gemäß 4c unter Berücksichtigung der Abweichung zwischen Ist- und Soll-Position korrigiert werden. Entsprechend können auch Korrekturen durchgeführt werden, die sich aus Abbildungsfehlern der Sensorik wie Verzeichnungen oder fehlerhafte Justage des Abbildungssystems wie z. B. Verkippen des Sensors wie CCD-Kamera ergeben.
Anhand der 5a, 5b und 5c soll noch einmal das erfindungsgemäße Verfahren erläutert werden, um Teilbilder zu einem Gesamtbild zusammenzufügen, das äquidistante Bildpunkte aufweist.
In 5a sind die Amplituden von Pixeln entlang einer Zeile (X-Richtung) in zwei aufeinanderfolgenden Bildern (Bild 1, Bild 2) dargestellt. Bedingt durch fehlerhafte Positionierung bei der Bildaufnahme von Bild 2 sind die Pixel von Bild 1 und Bild 2 erkennbar nicht äquidistant.
Erfindungsgemäß werden die Pixelorte von Bild 2 rechnerintern verschoben, indem aus den Amplituden von Bild 2 unter Verwendung der linearen Interpolation neue Amplituden (gestrichelte Darstellung) bestimmt werden, deren Größe von der zur Erzielung äquidistanter Pixel zwischen Bild 1 und Bild 2 aus jeweils zwei benachbarten Amplituden unter Berücksichtigung der benötigten Verschiebung berechnet werden. Nach der durchgeführten Verschiebung im Rechner erhält man ein- Gesamtbild aus Bild 1 und Bild 2 mit äquidistanten Pixeln oder Bildpunkten, wie 5c verdeutlicht.
Als bevorzugtes mathematisches Korrekturverfahren wird das Re-Sampling-Verfahren benutzt. Andere geeignete Interpolationsverfahren kommen gleichfalls in Frage.
Das erfindungsgemäße Verfahren, also das Zusammensetzen von Teilbildern zu einem Gesamtbild mit geometrisch exakt äquidistanten Bildpunkten, die sodann ausgewertet werden, ermöglicht ein schnelles Messen von insbesondere zweidimensionalen Objek ten bzw. zweidimensionalen Geometrien und Strukturen mit hoher Messgenauigkeit. Beispielhaft sind Objektkanten, -ecken oder -ränder zu nennen. Dabei ist es nicht erforderlich, dass der optische Sensor wie CCD-Kamera eine fest vorgegebene Ausrichtung zu dem Objekt aufweist. Vielmehr kann der Sensor derart ausgerichtet werden; dass optimale Messmöglichkeiten gegeben sind. Der Sensor kann unterhalb oder oberhalb des Objekts angeordnet sein. Auch ein seitliches Ausrichten zu dem Objekt ist möglich. Wird bevorzugterweise der Sensor beim Messen bewegt, so kann selbstverständlich ein Anhalten des Sensors während der Durchführung einer Messung erfolgen. Auch kann das Objekt zu dem Sensor bewegt werden. Die Möglichkeit, Objekt und Sensor gleichzeitig zu bewegen, schließt die Erfindung gleichfalls nicht aus. Unabhängig hiervon ist jedoch eine Korrelation der jeweiligen Positionen zu den Koordinaten des Koordinatenmessgerätes erforderlich.

Claims

Verfahren zum Messen von im Wesentlichen zweidimensionalen Geometrien bzw. Strukturen eines Objekts mittels eines Koordinatenmessgerätes unter Verwendung einer einen Bildverarbeitungssensor wie einer oder mehrerer CCD-Kameras umfassenden Bildverarbeitungssensorik mit an diese angeschlossenem Bildspeicher, wobei der Bildverarbeitungssensor in gewünschter Position zu dem Objekt und/oder das Objekt zu dem Bildverarbeitungssensor ausgerichtet wird, an mehreren Stellen von zu messendem Bereich des Objekts Teilbilder aufgenommen werden, die Teilbilder in dem Bildspeicher zu einem Gesamtbild oder Gesamtmessbild mit äquidistanten oder nahezu äquidistanten Bildpunkten zusammengefügt werden und sodann das Gesamtbild bzw. Gesamtmessbild mittels zumindest einer Auswerteeinheit ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine genaue Positionierung des Bildverarbeitungssensors unter Zugrundlegung eines Bildpunktrasters eines Gesamtbildes bzw. Gesamtmessbildes mit äquidistanten oder nahe äquidistanten Bildpunkten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gesamtbild bzw. Gesamtmessbild mit geometrisch exakt äquidistanten Bildpunkten erzeugt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als mathematisches Korrekturverfahren zur Erzielung eines aus den Teilbildern bestehenden Gesamtbildes bzw. Gesamtmessbilds mit geometrisch exakt äquidistanten Bildpunkten ein Re-sampling-Verfahren oder andere Interpolationsverfahren verwendet werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zusammenfügen der Teilbilder die Kamera-Soll-Position der Teilbilder mit der Kamera-Ist-Position der Teilbilder verglichen wird und die Teilbilder durch mathematische Verfahren in ein theoretisches Pixelraster mit äquidistanten Punkten zusammengefasst werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Ist-Position des Bildverarbeitungssensors zum Zeitpunkt der Aufnahme eines Teilbildes mit berechneter oder vorgegebener Soll-Position verglichen wird und unter Zugrundelegung der Differenz zwischen Ist- und Soll-Position die Teilbilder zu dem Gesamtbild mit den geometrisch exakt äquidistanten Bildpunkten zusammengefasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zusammenfügen der Teilbilder zur Erreichung konstanter Abstände der Bildpunkte im zusammengesetzten Bild die Ist-Position des Bildaufnehmers zum Zeitpunkt der Aufnahme eines Teilbildes mit der berechneten Soll-Position verglichen wird, die notwendig ist, um das Teilbild im Pixelraster des Gesamtbildes aufzunehmen, und das Ergebnis des Vergleichs verwendet wird, um das Teilbild rechnerintern durch mathematische Korrekturverfahren auf das Pixelraster des Gesamtbildes zu schließen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zusammenfügen der Teilbilder die vorab bestimmte Verdrehung des Bildaufnehmers gegenüber der Positioniereinheit verwendet wird, um das aufgenommene Bild rechnerintern mit Hilfe mathematischer Korrekturverfahren auf ein Pixelraster zu transformieren, das parallel zu den Verfahrrichtungen oder anderen Koordinatenachsen ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zusammenfügen der Teilbilder etwaige und vorab bestimmte Verdrehung des Bildverarbeitungssensors gegenüber einer Positioniereinrichtung zum Transformieren des Teilbildes auf ein Pixelraster berücksichtigt wird, das entlang Verfahrrichtung bzw. Verfahrrichtungen des Bildverarbeitungssensors und/oder des Objektes oder vorgegebenen Koordinaten des Koordinatenmessgerätes verläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildpunkte der Teilbilder selbst vor oder während des Zusammenfügens zum Gesamtbild durch mathematische Korrekturverfahren auf ein äquidistantes Pixelraster transformiert werden, um Abbildungsfehler des verwendeten Objektivs wie z. B. Verzeichnung und/oder nicht perfekte Justage des Abbildungssystems, wie z. B. Verkippung der Kamera zu korrigieren.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbilder bzw. deren Bildpunkte vor oder während des Zusammenfügens zu dem Gesamtbild auf ein äquidistantes Pixelraster transformiert werden unter Berücksichtigung von möglichen Abbildungsfehlern eines den Bildverarbeitungssensor zugeordneten Objektivs wie z. B. Verzeichnung und/oder fehlerhafte Justage des Bildverarbeitungssensors wie Verkippung einer CCD-Kamera.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilbild einen durch ein Messfenster bestimmten Bereich des durch den Bildverarbeitungssensor in einer Messposition aufgenommenen Bildes entspricht.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt während der Messung mit einem Lichtblitz beaufschlagt und/oder als Bildverarbeitungssensor eine CCD-Kamera mit Shutter verwendet wird.
Verfahren nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abbildungsoptik mit veränderlichem Arbeitsabstand, insbesondere eine Abbildungsoptik mit einer Zoomoptik verwendet wird, die wenigstens zwei axial jeweils separat motorisch verschiebbare Linsengruppen enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Objektauflagefläche bzw. des zu messenden Objektes eine Beleuchtungseinrichtung vorzugsweise in Form einer leuchtenden Fläche angeordnet wird.
Verfahren nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Abbildungsoptik des Bildverarbeitungssensors ein telezentrisches Objektiv mit großer Schärfentiefe verwendet wird.
Verfahren nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Bildverarbeitungssensors mit diesem zugeordneten x-/y-Antrieben verstellt und die Position durch entsprechende Linearmaßstäbe gemessen wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu messende Objekt oberhalb oder unterhalb oder seitlich zu der Bildverarbeitungssensorik angeordnet wird und/oder umgekehrt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt im Auflicht-Dunkelfeld, Auflicht-Hellfeld oder im Durchlicht gemessen wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt und/oder die Bildverarbeitungssensorik mittels einer Positioniereinrichtung verstellt und bei Erreichen vorgegebener Koordinatenwerte des Koordinatenmessgerätes das Objekt gemessen wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt im Dauerlicht beleuchtet wird und ein Abbilden des Objekts bzw. Teilbereichs dieses durch Öffnen eines Verschlusses einer Kamera wie CCD-Kamera auf den optischen Sensor wie CCD-Matrix erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei bewegtem Bildverarbeitungssensor (16) und/oder bewegtem Objekt dieses gemessen wird.
Anordnung zum Messen von im Wesentlichen zweidimensionalen Geometrien bzw. Strukturen eines Objektes (10) mittels eines Koordinatenmessgerätes umfassend eine einen Bildverarbeitungssensor (16) wie CCD-Kamera umfassende Bildverarbeitungssensorik (14), zumindest eine Positioniereinrichtung für den Bildverarbeitungssensor und/oder das zu messende Objekt sowie einen mit einer Recheneinheit (19) verbundenen Bildspeicher, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Bildverarbeitungssensor (16) aufgenommene Teilbilder des zu messenden Objekts (10) mittels der Rechnereinheit auf den Bildspeicher als Gesamtbild mit geometrisch äquidistanten Bildpunkten dargestellt ist.
Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildspeicher zumindest Größe des gewünschten oder gesamten Messbereichs des Objekts entspricht.
Anordnung nach Anspruch 23. oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildspeicher mit einer Auswerterecheneinheit zur geometrischen Auswertung des gesamten Bildinhalts verbunden ist.
Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungssensorik zumindest einen Bildverarbeitungssensor wie CCD-Matrix-Kamera (16) umfasst.
Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Bildverarbeitungssensor wie die CCD-Kamera (16) unterhalb oder oberhalb des Objektes (10) oder seitlich zu diesem angeordnet ist.
Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das zu messende Objekt (10) auf einer Beleuchtungseinrichtung (22) wie einer leuchtenden Fläche angeordnet ist.
Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass Abbildungsoptik (18) der Bildverarbeitungssensorik (14) ein telezentrisches Objektiv mit großer Schärfentiefe ist.
Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (18) vorzugsweise konzentrisch von Beleuchtungselementen wie Leuchtdioden zum Beleuchten bildverarbeitungssensorseitiger Fläche des Objekts (10) umgeben ist.
Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Bildverarbeitungssensors (16) mit diesem zugeordneten x-/y-Antrieben verstellbar und die Position durch entsprechende Linearmaßstäbe messbar ist.