DE102005021645A1

DE102005021645A1 - Anordnung und Verfahren zum opto-taktilen Messen eines Objektes

Info

Publication number: DE102005021645A1
Application number: DE102005021645A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Neuschaefer-Rube; Heinrich I. Dr. Schwenke
Original assignee: Werth Messtechnik GmbH
Current assignee: Ptb Physikalisch-Technische Bundesanstalt Brau De; Werth Messtechnik GmbH
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2025-05-07
Also published as: DE102005021645B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zum dreidimensionalen opto-taktilen Messen eines Objektes mittels eines Koordinatenmessgerätes, wobei zum Messen des Objektes ein von einer biegeelastischen Tasterverlängerung ausgehendes mit dem Objekt in Berührung zu bringendes Tastelement mit einem optischen Sensor sensiert wird. Um auf konstruktiv einfachem Wege dreidimensional die Position des Tastelementes ermitteln und somit das Objekt messen zu können, wird vorgeschlagen, dass das Tastelement zu lateraler Schwingung angeregt wird und dass die Berührung des Objektes durch das Tastelement dadurch sensiert wird, dass bei Annäherung des Tastelementes an das Objekt die Schwingungsamplitude des Tastelementes beobachtet und die Tasterposition bei dessen Stillstand ermittelt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum insbesondere dreidimensionalen optotaktilen Messen eines Objektes bzw. dessen Struktur mittels eines Koordinatenmessgerätes, wobei zum Messen des Objekts ein von einer biegeelastischen Tasterverlängerung ausgehendes mit dem Objekt in Berührung zu bringendes Tastelement mit einem optischen Sensor sensiert wird, wobei gegebenenfalls von der Tasterverlängerung eine Zielmarke ausgeht.

Aus der WO-A-98/57121 ist ein Koordinatenmessgerät mit einem Tastelement bekannt, das von einer biegeelastischen Tasterverlängerung ausgeht. Dabei wird die Biegeelastizität zur Realisierung der koordinatenmessgerättypischen Auslenkung von taktilen Sensoren benutzt. Um mit einem entsprechenden opto-taktilen Messverfahren auch dreidimensional messen zu können, sind zumindest zwei optische Sensoren wie Kameras erforderlich. Entsprechendes lehrt auch das DE-U-298 08 683.

Um dreidimensional messen zu können, kann die Kontrastfunktion (Videoautofokus) genutzt werden. Allerdings wird bei diesem Verfahren eine eingeschränkte Empfindlichkeit in Kauf genommen, so dass gegebenenfalls Messunsicherheiten im μm-Bereich auftreten können.

Nach einem anderen Verfahren erfolgt eine Auswertung durch die Größenänderung des Tastelementes durch Defokussierung bei einer Verschiebung in z-Richtung, die entlang der optischen Achse des optischen Sensors verläuft. In diesem Fall kann für die xy-Messung eine vorteilhafte telezentrische Optik nicht genutzt werden.

Auch besteht die Möglichkeit, die Unschärfe bei z-Verschiebung des Tastelementes auszuwerten, wobei die zuvor erläuterten Verfahren in Kombination zur Anwendung gelangen können.

Werden zwei Kameras auf das Tastelement oder auf eine Zielmarke einer Tasterverlängerung ausgerichtet, um dreidimensional messen zu können, ist ein erhöhter Hardware-Aufwand gegeben. Auch besteht eine Kollisionsgefahr zwischen dem zweiten optischen Sensor und dem zumessenden Objekt. Ferner können Abschattungseffekte durch das Objekt selbst auftreten.

Der DE-A-43 27 250 ist ein Verfahren zur Koordinatenmessung von Werkstücken zu entnehmen. Dabei wird ein Videobild zur einfachen Positionierung eines Tasters benutzt. Zur Messung kann ein Schwingquarztaster eingesetzt werden, der eine signifikante Steifigkeit aufweisen muss, um eine ausreichend hohe Resonanzfrequenz zu erzielen. Hierdurch ist die Gefahr eines Bruches gegeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine zur Realisierung des Verfahrens erforderliche Anordnung derart weiterzubilden, dass auf konstruktiv einfachem Wege dreidimensional die Position des Tastelementes ermittelt und somit das Objekt gemessen werden kann, wobei gleichzeitig eine Steigerung der Messempfindlichkeit gegenüber bekannten Verfahren in Bezug auf die z-Richtung des Koordinatenmessgeräts gegeben sein soll. Es sollen gleiche Messgenauig keiten in den Raumrichtungen x, y und z des Koordinatenmessgerätes-erreicht werden. Die Gefahr von Kollisionen soll ausgeräumt sowie Abschattungseffekte sollen vermieden werden.

Zur Lösung des Problems sieht die Erfindung u. a. vor, dass nur ein optischer Sensor wie CCD-Kamera benötigt wird, in dem nach alternativen Lösungsprinzipien entweder eine laterale Schwingungsanregung des Tastelements erfolgt und/oder eine konfokale Messanordnung gewählt wird und/oder eine Speckle-Korrelation erfolgt und/oder unter Berücksichtigung der Speckle-Interferometrie gemessen wird.

Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass das Tastelement zu lateraler Schwingung angeregt wird und dass die Berührung des Objekts durch das Tastelement dadurch sensiert wird, dass bei Annäherung des Tastelements an das Objekt Schwingungsamplitude des Tastelements beobachtet und die Tasterposition bei dessen Stillstand ermittelt wird.

Auch ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass als Zielmarke eine solche verwendet wird, die eine in Richtung des optischen Sensors sich verändernde laterale Abmessung aufweist, dass die Zielmarke mit einem optischen Sensor insbesondere geringer Tiefenschärfe beobachtet wird und dass aus der lateralen Position der Zielmarke im Bildfeld des optischen Sensors die laterale Position des Tastelements bestimmt wird. Ferner wird aus der lateralen Abmessung der Zielmarke die Position des Tastelementes in z-Richtung bestimmt.

Das der Erfindung zu Grunde liegende Problem wird auch dadurch gelöst, dass das Tastelement zur Erzielung eines zu beobachtenden Speckle-Musters zumindest teilweise kohärente Strahlung und teilweise diffus abstrahlt, dass Position des Tastelements in xy-Richtung des Koordinatenmessgerätes dadurch ermittelt wird, dass in einer Korrelationsanalyse aktuelles Tasterbild mit einem Tasterbild des unausgelenkten Tastelements zur Lokalisierung des aktuellen Speckle-Musters im Sichtfeld des optischen Sensors verglichen wird, und dass die Position des Tastelements in z-Richtung dadurch ermittelt wird, dass in einer Korrelationsanalyse der radiale Vergrößerungsfaktor zwischen den Speckle- Mustern vom aktuellem Zustand des Tastelements und seinem unausgelenkten Zustand bestimmt wird.

Ferner sieht ein weiterer selbständiger Lösungsvorschlag vor, dass das Tastelement zur Erzielung eines zu beobachtenden Speckle-Musters zumindest teilweise kohärente Strahlung und teilweise diffus abstrahlt, dass dem von dem Tastelement ausgehenden sich in Richtung des optischen Sensors ausbreitenden Licht eine Referenzwelle überlagert wird, die von gleicher Lichtquelle wie die kohärente Strahlung emittiert wird und dass Phasenlage zwischen entsprechenden Teilwellen mit bekannten Phasenschiebemethoden der Speckle-Interferometrie ermittelt wird.

Das Funktionsprinzip bezüglich der lateralen Schwingungsanregung des Tastelementes kann wie folgt erläutert werden. Das Tastelement wird zur lateralen Schwingung angeregt und die Schwingung z. B. in einem Videobild beobachtet. Bei Annäherung an die Objektoberfläche steht das Tastelement dann still, wenn es die Oberfläche berührt. Dies wird durch Auswertung des Videobildes festgestellt. Bei Verwendung der Tastkugel als Zielmarke ist das Videobild bei Annäherung an die Objektoberfläche rund.

Es erfolgt demzufolge eine Analogie zu bekannten schaltenden Tastern für Koordinatenmessgeräte.

Die z-Position des Tastelements, also in Richtung der optischen Achse des optischen Sensors, ergibt sich aus den aktuellen Koordinatenmessgerätkoordinaten (bei Antastung in z-Richtung), die xy-Position, also die Position, in der senkrecht zu der z-Richtung verlaufenden Ebene, wird in bekannter Weise aus dem Videobild ermittelt, wie dies z. B. durch die WO-A-98/57121 offenbart ist.

Bei einer Messanordnung mit geringer Tiefenschärfe ergibt sich Folgendes. An der Tasterverlängerung – auch Tasterschaft genannt – wird eine Zielmarke angebracht, deren laterale Erstreckung sich in Richtung des optischen Sensors wie CCD-Kamera verändert. Beispielhaft kann an dem Tasterschaft eine kegelförmige Struktur angebracht werden, wobei Kegelhöhe dem benötigten z-Messbereich entspricht. Der Kegeldurchmesser wird dabei so gewählt, dass der größte Durchmesser vollständig auf dem optischen Sensor abgebildet wird. Die Struktur wird mit einer Optik, die nur eine sehr geringe Tiefenschärfe aufweist, auf den optischen Sensor, beispielhaft auf die CCD-Kamera, abgebildet. Im Extremfall liegt eine konfokale Anordnung vor.

Eine Einmessung des Tasters erfolgt dadurch, dass der Zusammenhang von Kegelposition und Tasteelementposition bestimmt wird. Die x-, y- und z-Koordinatenwerte werden nun wie folgt aus der Position der kegelförmigen Struktur ermittelt:
x, y: Mittelpunkt des scharf abgebildeten Kreises
z: Durchmesser des scharf abgebildeten Kreises.

Wird anstelle einer kegelförmigen Zielmarke eine andere Geometrie gewählt, sind entsprechende geometrische Beziehungen zu berücksichtigen.

Vorteil eines entsprechenden Verfahrens ist es, dass die kegelförmige Struktur, deren Position ermittelt wird, sich außerhalb der zu messenden Struktur, also des Objektes befindet, so dass ein Einfluss der Eintauchtiefe nicht vorliegt.

Bei dreidimensionaler Messung unter Berücksichtigung der Speckle-Korrelation ergibt sich Folgendes.

– Verwendung eines aktiv leuchtenden Tastelementes durch Zuführung von kohärentem Licht über einen die Tasterverlängerung bildenden Multimode-Lichtleitfaser bzw. Lichtleitfasern.
– Bei dieser Anordnung erscheint das Tastelement im Videobild nicht mehr flächig leuchtend, vielmehr bildet sich ein Speckle-Muster aus.
– Dieses Muster ist tasterfest bei Auslenkung in x- und y-Richtung.
– Mit Hilfe von Korrelationsverfahren kann somit die Tasterposition in der xy-Ebene ermittelt werden.
– Bei einer Taterauslenkung in z-Richtung tritt eine radiale Vergrößerung des Speckle-Musters auf. Mit Hilfe spezieller Korrelationsalgorithmen kann dieser Vergrößerungsfaktor bestimmt und so die Tasterposition in z-Richtung ermittelt werden.
– Vorteilhaft bei größerem Speckle-Muster könnte sein, dass bei telezentrischer Optik der telezentrische Bereich durch Defokussierung verlassen oder eine nichttelezentrische Optik verwendet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren unter Zugrundelegung der Speckle-Interferometrie ist wie folgt zu erläutern:
Entsprechend dem Verfahren unter Zugrundelegung der Speckle-Korrelation wird eine Beleuchtungsanordnung gewählt, jedoch vor der Einkopplung in die die Tasterverlängerung bildende Faser wird ein Teil des Lichts ausgekoppelt, um einen Referenzstrahl zu gewinnen. Sodann erfolgt eine interferenzielle Überlagerung des Referenzstrahls mit dem Licht, das sich vom Tastelement zum optischen Sensor, also insbesondere CCD-Kamera ausbreitet. Die optische Weglänge des Referenzstrahls oder des in die Faser eingekoppelten Lichts ist stufenweise um Bruchteile der Lichtwellenlänge veränderbar (Möglichkeit der Phasenverschiebung). Es erfolgt sodann eine Nutzung der bekannten Auswerteverfahren der „Electronic Speckle Interferometrie" (ESPI)" zur Bestimmung der Tasterauslenkung in z-Richtung.

Die Bestimmung der Position in der xy-Ebene erfolgt entsprechend der Erläuterung im Zusammenhang mit der Speckle-Korrelation, und zwar durch Auswertung des Tasterbildes bei abgeblendetem Referenzstrahl mit maximaler Korrelation zwischen ausgelenktem und nicht ausgelenktem Zustand.

Erfindungsgemäß wird ein opto-taktiler Taster für die dreidimensionale Messung verwendet. Dabei wird mit einem optischen Sensor wie CCD-Kamera neben dem Werkstück auch das Tastelement beobachtet, dessen Position mit Bildverarbeitungsgeräten bestimmt wird.

Bevorzugtes Einsatzfeld des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Messung von Mikrostrukturen (Mikrobohrungen, Mikrozahnräder), da das Tastelement kleiner als bei konventionellen Tastern sein kann. Eine umfassende dreidimensionale Messfähigkeit ist gegeben.

Der Hardware-Aufwand wird im Vergleich zu bekannten Verfahren, mit denen dreidimensional gemessen wird, verringert. In Bezug auf bekannte Lösungen wird die Messunsicherheit verringert, Abschattungseffekte treten nicht auf. Auch die Kollisionsgefahr mit einem Werkstück ist weitgehend ausgeschlossen.

Erfindungsgemäß wird folglich ein opto-taktiler 3D-Taster vorgeschlagen, der sich dadurch auszeichnet, dass das Tastelement zu lateraler Schwingung angeregt wird und dass die Berührung des Objekts durch das Tastelement dadurch sensiert wird, dass bei Annäherung des Tastelements an das Objekt Schwingungsamplitude des Tastelements beobachtet und die Tasterposition bei dessen Stillstand ermittelt wird.

Ein opto-taktiler 3D-Taster zeichnet sich auch dadurch aus, dass als Zielmarke eine solche verwendet wird, die in Richtung des optischen Sensors eine sich verändernde laterale Abmessung aufweist, dass die Zielmarke mit einem optischen Sensor geringer Tiefenschärfe beobachtet wird und dass aus der lateralen Position der Zielmarke im Bildfeld des optischen Sensors laterale Position des Tastelements bestimmt wird. Ferner wird aus der lateralen Abmessung der Zielmarke die Position des Tastelementes in z-Richtung bestimmt.

Des Weiteren zeichnet sich ein opto-taktiler 3D-Taster dadurch aus, dass das Tastelement zur Erzielung eines zu beobachtenden Speckle-Musters zumindest teilweise kohärente Strahlung und teilweise diffus abstrahlt, dass die Position des Tastelements in xy-Richtung des Koordinatenmessgerätes dadurch ermittelt wird, dass in einer Korrelationsanalyse das aktuelle Tasterbild mit einem Tasterbild des unausgelenkten Tastelements zur Lokalisierung des aktuellen Speckle-Musters im Sichtfeld des optischen Sensors verglichen wird, und dass die Position des Tastelements in z-Richtung des Koordinatenmessgerätes dadurch ermittelt wird, dass in einer Korrelationsanalyse der radiale Vergrößerungsfaktor zwischen dem Speckle-Muster von aktuellem Zustand des Tastelements und seinem unausgelenkten Zustand bestimmt wird.

Schließlich zeichnet sich ein opto-taktiler Taster dadurch aus, dass das Tastelement zur Erzielung eines zu beobachtenden Speckle-Musters zumindest teilweise kohärente Strahlung und teilweise diffus abstrahlt, dass dem von dem Tastelement ausgehenden sich in Richtung des optischen Sensors ausbreitenden Licht eine Referenzwelle überlagert wird, die von der gleichen Lichtquelle wie die kohärente Strahlung emittiert wird und dass die Phasenlage zwischen entsprechenden Teilwellen mit bekannten Phasenschiebemethoden der Speckle-Interferometrie ermittelt wird.

Bei dem Verfahren unter Zugrundelegung der Speckle-Interferometrie werden zur Messung der z-Koordinate die bekannten Messanordnungen und Auswerteverfahren der „Electronic Speckle Interferometrie (ESPI)" genutzt, wie sie z. B. in (1) erläutert sind.

Hierbei wird vor der Einkopplung in die Faser ein Teil des Lichts einer kohärenten Lichtquelle ausgekoppelt, das als Referenzstrahl dient. Dieser Referenzstrahl wird mit dem Licht, das sich vom Tastelement zur CCD-Kamera ausbreitet, interferenziell überlagert. Die optische Weglänge des Referenzstrahls oder des in die Faser eingekoppelten Lichts lässt sich stufenweise um Bruchteile der Lichtwellenlänge verändern.

Ist die die Tasterverlängerung bildende Faser als Multimode-Faser ausgebildet, ist im CCD-Bild der Kamera ein Speckle-Muster sichtbar. Für die Intensität der einzelnen Speckle gilt der Zusammenhang

I:: mittlere Intensität,
λ:: Lichtwellenlänge,
z:: z-Position der Tastkugel,
ϕ₀:: Phasenwinkel,

abhängig von den optischen Weglängen der beiden Lichtstrahlen.

Um die gesuchte Position z zu bestimmen, kann die Phasenschiebe-Methode angewandt werden. Da Gl. (1) drei Unbekannte enthält, sind hierzu mindestens drei Intensitäten bei unterschiedlichen Phasenwinkeln ϕ_0i erforderlich. Werden beispielsweise vier Intensitäten I₀ ... I₃ gemessen, bei denen der Phasenwinkel ϕ01 = ϕ00 + π/2, π02= ϕ00 + π, ϕ03 = ϕ00 + 3π/2beträgt, gilt die Position z

n:: ganze Zahl.

Derartige Messungen sind vor und nach dem Antasten an das Werkstück durchzuführen.

Gl. (2) ist mehrdeutig, da n nicht bekannt ist. Zur Bestimmung der gesuchten Tasterposition h durch das Antasten sind folgende Vorgehensweisen möglich:

– Überwachung der Speckle-Intensitäten während des Antastens und Zählen der Hell-Dunkel-Übergänge, die der Zahl n in Gl. (2) entspricht.
– Überwachung der Speckle-Intensitäten während des Antastens und Stoppen der Maschine nach einer z-Tasterbewegung < λ um sicherzustellen, dass n = 0 beträgt.
– Ausführen der Messung gemäß Gl. (2) mit zwei kohärenten Lichtquellen mit den Lichtwellenlängen λ_a und λ_b, die sich vorteilhaft nur geringfügig unterscheiden. In diesem Fall ist in Gl. (2) anstelle von λ die synthetische Wellenlänge Λ = λ_a λ_b/|λ_a – λ_b| und anstelle von Δϕ die der Phasenwinkel Δϕ_ab = Δϕ_a – Δϕ_b anzusetzen. Da die synthetische Wellenlänge Λ deutlich größer als die Wellenlängen λ_a und λ_b ist, vergrößert sich der Eindeutigkeitsbereich.
– Ausführen der Messung gemäß Gl. (2) mit zwei kohärenten Lichtquellen mit den Lichtwellenlängen λ_a und λ_b, die sich vorteilhaft nur geringfügig unterscheiden. Bildung der Intensitätsdifferenz ΔI = I_a – I_b. Es läst sich zeigen, dass für diese Differenz gilt:

Auch hier tritt wieder die synthetische Wellenlänge Λ auf, so dass sich der Eindeutigkeitsbereich vergrößert.

Wird anstelle der Multimode-Faser eine Monomode-Faser für die Tasterverlängerung verwendet, ist im CCD-Kamerabild kein Speckle-Muster, sondern ein Interferenzstreifenmuster sichtbar. Auch in diesem Fall kann die beschriebene Messprozedur verwendet werden, wenn statt der Speckle-Intensität die Intensität begrenzter Bereiche im Kamerabild betrachtet wird.

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.

Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines Koordinatenmessgerätes,
2 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Anordnung zum dreidimensionalen Messen mittels eines opto-taktilen Messverfahrens,
3 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Anordnung zum dreidimensionalen Messen mittels eines opto-taktilen Messverfahrens und
4 einen Verfahrensablauf zum dreidimensionalen Messen unter Verwendung der Speckle-Korrelation.
Der 1 ist rein prinzipiell ein Koordinatenmessgerät 10 mit einem z. B. aus Granit bestehenden Grundrahmen 12 mit Messtisch 14 zu entnehmen, auf dem ein nicht dargestelltes Objekt anordbar ist, um dieses Zu messen. Entlang dem Grundrahmen 12 ist ein Portal 16 in y-Richtung verstellbar. Hierzu sind Säulen oder Stände 18, 20 gleitend auf dem Grundrahmen 12 abgestützt. Von den Säulen 18, 20 geht eine Traverse 22 aus, entlang der, also in x-Richtung, ein Schlitten 24 verstellbar ist, der seinerseits eine Pinole oder Säule 26 aufnimmt, die in z-Richtung verstellbar ist. Von der Pinole oder Säule 26 geht ein Messsensor aus, der im Ausführungsbeispiel aus einem L-förmig gebogenen Taster 28 und einem optischen Sensor 30 wie CCD-Kamera besteht. Der Taster 28 weist an seinem Ende ein Tastelement 32 auf. In diesem Bereich ist der Taster 28 biegeelastisch ausgebildet, weist demzufolge eine Konstruktion auf, wie diese der WO-A-98/57121 zu entnehmen ist. Dabei kann der Taster 28 abschnittsweise von einem starren Element umgeben sein, um Antastkräfte bzw. Schwingungsamplituden gezielt einstellen zu können. Der an dem Taster 32 angrenzende Abschnitt des Tasters 28 ist jedoch biegeelastisch. Als Tastermaterial selbst kommt insbesondere eine Multimode-Lichtleitfaser in Frage.
Um mit einem entsprechenden Koordinatenmessgerät 10 dreidimensional ein Objekt bzw. Strukturen eines solchen messen zu können, können verschiedene Funktionsprinzipien zur Anwendung gelangen, bei der nur ein optischer Sensor 30, also vorzugsweise eine CCD-Kamera benötigt wird:

1. laterale Schwingungsanregung des Tastelements,
2. konfokale Messanordnung (2)
3. Speckle-Korrelation
4. Speckle-Interferometrie (3).

In 2 ist ein Ausschnitt eines Tasters 28 dargestellt, der zumindest eine biegeelastische Tasterverlängerung 1 mit einem Tasterelement 2 aufweist, das mit zu messenden Objekten in Berührung gebracht wird. Von der biegeelastischen Tasterverlängerung 1 geht eine Zielmarke 3 aus, und zwar von einem Abschnitt der biegeelastischen Tasterverlängerung 1, die entlang optischer Achse eines optischen Abbildungssystems 5 verläuft, das eine geringe Tiefenschärfe aufweist, gegebenenfalls konfokal sein kann. Dem Abbildungssystem 5 ist ein optischer Sensor wie CCD-Sensor 4 zugeordnet, auf den in nachstehend beschriebener Weise die Zielmarke 3 abgebildet wird, bei der es sich z. B. um eine solche mit Kegelgeometrie handeln kann.
Die optische Zielmarke 3 weist eine in Richtung des optischen Sensors 4-sich verändernde laterale Abmessung auf. Im Ausführungsbeispiel soll es sich bei der Zielmarke 3 um einen Kegel handeln, wobei Höhe des Kegels dem benötigten z-Messbereich entspricht. Der Durchmesser des Kegels wird dabei so gewählt, dass der größte Durchmesser vollständig auf dem optischen Sensor 4 abgebildet wird. Die Struktur wird mit der Optik 5, die erwähntermaßen eine sehr geringe Tiefenschärfe aufweist, auf den optischen Sensor 4 abgebildet.
Eine Einmessung des Tasters erfolgt nun dadurch, dass der Zusammenhang zwischen der Position der Zielmarke 3 und der Position des Tastelements 2 bestimmt wird. Die x-, y- und z-Koordinatenwerte werden bei der Messung sodann aus der Position der Zielmarke 3 wie folgt ermittelt:
x, y: Mittelpunkt des scharf abgebildeten Kreises,
z: Durchmesser des scharf abgebildeten Kreises.
Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Lehre nicht auf eine Zielmarke 3 kegelförmiger Geometrie begrenzt. Andere Formen sind gleichfalls möglich, wobei die entsprechenden geometrischen Beziehungen sodann zu berücksichtigen sind.
Im Ausführungsbeispiel der 3 ist das erfindungsgemäße Messprinzip unter Zugrundelegung der Speckle-Interferometrie prinzipiell dargestellt, wobei für Elemente, die der 1 zu entnehmen sind, gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
Der Taster 28, d. h. dessen Tasterverlängerung besteht vorzugsweise aus einer Multimode-Lichtleitfaser. Über eine kohärente Lichtquelle 34 wird kohärentes Licht dem Tastelement 32 zugeführt. Vor Einkoppeln der kohärenten Strahlung in den Taster 28 wird ein Teil des Lichtes ausgekoppelt, um einen Referenzstrahl 36 zu erzeugen. Dieser Referenzstrahl 36 wird interferenziell mit dem Licht überlagert, das sich von dem Tastelement 32 in Richtung der CCD-Kamera 30 ausbreitet. Durch das zumindest teilweise kohärente Licht und des teilweise diffusen Abstrahlens dieses von dem Tastelement erscheint das Tastelement im Videobild der CCD-Kamera 30 nicht mehr flächig leuchtend, vielmehr bildet sich ein Speckle-Muster aus.
Wird nun die optische Weglänge des Referenzstrahls oder des in den Taster eingekoppelten Lichts, z. B. mit Hilfe eines Piezotranslators 38, stufenweise um Bruchteile der Lichtwellenlänge verändert (Möglichkeit der Phasenverschiebung), kann durch Nutzung bekannter Auswerteverfahren wie der „Electronic Speckle Interferometrie“ (ESPI) die Tasterauslenkung in z-Richtung, also entlang der optischen Achse der CCD-Kamera 30 bestimmt werden. Die xy-Position des Tastelements 32, also die Position in der senkrecht zu der z-Achse verlaufenden Ebene erfolgt durch Auswertung des Tasterbildes ohne Referenzstrahl mit maximaler Korrelation zwischen ausgelenktem und nicht ausgelenktem Zustand, wie dies im Zusammenhang mit der Speckle-Korrelation eingangs erläutert worden ist.
Anhand der 4 soll der Verfahrensablauf bei Messungen mit Hilfe der Speckle-Korrelation näher erläutert werden.
Bei Verwendung der Speckle-Korrelation wird kohärentes Licht in die Lichtleitfaser eingekoppelt. Hierdurch erscheint ein Speckle-Muster im Videobild. Dieses Speckle-Muster ist tasterfest in x- und y-Richtung und vergrößert bzw. verkleinert sich radial, wenn sich der Abstand zwischen dem lichtabstrahlenden Tastelement zur CCD-Kamera ändert.
In einem Einmessprozess wird zunächst der Mittelpunkt des unausgelenkten Tastelementes bestimmt (Verfahrensschritt 42). Dies kann z. B. bei Durchlichtbeleuchtung und abgeschalteter kohärenter Lichtquelle erfolgen. Weiterhin wird das Speckle-Muster abgespeichert, das die CCD-Kamera bei nicht ausgelenktem Tastelement und in die Lichtleitfaser eingekoppeltem kohärenter Beleuchtung erfasst (Verfahrensschritt 44). Dieses dient bei der eigentlichen Messung als Referenzbild für den Korrelationsprozess. Schließlich wird die Abhängigkeit des radialen Vergrößerungsfaktors V von der Tastelementposition z in z-Richtung ermittelt (Verfahrensschritt 46). Dies kann z. B. analog zur anschließend erläuterten Messung erfolgen, wobei entweder das Koordinatenmessgerät an ein ebenes Messobjekt antastet und anschließend bekannte Zustellbewegungen in z-Richtung ausführt oder das Koordinatenmessgerät ein Objekt antastet, dessen Geometrie bekannt ist. Weiterhin ist die Bestimmung der Kennlinie aufgrund theoretischer Modelle (Abbildungsmaßstab) des Strahlengangs möglich.
Bei der Messung tastet das Tastelement an das Messobjekt an und es wird das Speckle-Muster erfasst (Verfahrensschritte 48, 50). Dieses Muster wird einer speziellen Korrelationsanalyse unterzogen (Verfahrensschritt 52). Ergebnis dieser Analyse sind die x- und y-Position des Speckle-Musters im Bild sowie der radiale Vergrößerungsfaktor. Für den Vergrößerungsfaktor wird dabei neben dem Referenzbild die Position des unausgelenkten Tastelementes benötigt, die eine Lokalisierung des Tastermittelpunktes im Referenzbild ermöglicht. Mit Hilfe der Referenzkennlinie V = f(z) ergibt sich schließlich die Tasterposition in z-Richtung (Verfahrensschritt 54).

Claims

Verfahren zum insbesondere dreidimensionalen opto-taktilen Messen eines Objektes bzw. dessen Struktur mittels eines Koordinatenmessgerätes, wobei zum Messen des Objekts ein von einer biegeelastischen Tasterverlängerung ausgehendes mit dem Objekt in Berührung zu bringendes Tastelement mit einem optischen Sensor sensiert wird, wobei gegebenenfalls von der Tasterverlängerung eine Zielmarke ausgeht, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastelement zu lateraler Schwingung angeregt wird und dass die Berührung des Objekts durch das Tastelement dadurch sensiert wird, dass bei Annäherung des Tastelements an das Objekt Schwingungsamplitude des Tastelements beobachtet und die Tasterposition bei dessen Stillstand ermittelt wird.
Verfahren zum insbesondere dreidimensionalen opto-taktilen Messen eines Objektes bzw. dessen Struktur mittels eines Koordinatenmessgerätes, wobei zum Messen des Objekts ein von einer biegeelastischen Tasterverlängerung ausgehendes mit dem Objekt in Berührung zu bringendes Tastelement mit einem optischen Sensor sensiert wird, wobei gegebenenfalls von der Tasterverlängerung eine Zielmarke ausgeht, dadurch gekennzeichnet, dass als Zielmarke eine solche verwendet wird, die in Richtung (z-Richtung) des optischen Sensors eine sich verändernde laterale Abmessung aufweist, dass die Zielmarke mit einem optischen Sensor geringer Tiefenschärfe beobachtet wird und dass aus lateraler Position der Zielmarke im Bildfeld des optischen Sensors sowohl laterale Position des Tastelements als auch dessen Position in z-Richtung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Zielmarke eine solche mit kegelförmiger Geometrie verwendet wird.
Verfahren zum insbesondere dreidimensionalen opto-taktilen Messen eines Objektes bzw. dessen Struktur mittels eines Koordinatenmessgerätes, wobei zum Messen des Objekts ein von einer biegeelastischen Tasterverlängerung ausgehendes mit dem Objekt in Berührung zu bringendes Tastelement mit einem optischen Sensor sensiert wird, wobei gegebenenfalls von der Tasterverlängerung eine Zielmarke ausgeht, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastelement zur Erzielung eines zu beobachtenden Speckle-Musters zumindest teilweise kohärente Strahlung und teilweise diffus abstrahlt, dass Position des Tastelements in xy-Richtung des Koordinatenmessgerätes dadurch ermittelt wird, dass in einer Korrelationsanalyse aktulles Tasterbild mit einem Tasterbild des unausgelenkten Tastelements zur Lokalisierung des aktuellen Speckle-Musters im Sichtfeld des optischen Sensors verglichen wird, und dass Position des Tastelements in z-Richtung des Koordinatenmessgerätes dadurch ermittelt wird, dass in einer Korrelationsanalyse radialer Vergrößerungsfaktor zwischen Speckle-Muster von aktuellem Zustand des Tastelements und seinem unausgelenkten Zustand bestimmt wird.
Verfahren zum insbesondere dreidimensionalen opto-taktilen Messen eines Objektes bzw. dessen Struktur mittels eines Koordinatenmessgerätes, wobei zum Messen des Objekts ein von einer biegeelastischen Tasterverlängerung ausgehendes mit dem Objekt in Berührung zu bringendes Tastelement mit einem optischen Sensor sensiert wird, wobei gegebenenfalls von der Tasterverlängerung eine Zielmarke ausgeht, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastelement zur Erzielung eines zu beobachtenden Speckle-Musters zumindest teilweise kohärente Strahlung und teilweise diffus abstrahlt, dass dem von dem Tastelement ausgehenden sich in Richtung (z-Richtung) des optischen Sensors ausbreitenden Licht eine Referenzwelle überlagert wird, die von gleicher Lichtquelle wie die kohärente Strahlung emittiert wird und dass Phasenlage zwischen entsprechenden Teilwellen mit bekannten Phasenschiebemethoden der Speckle-Interferometrie ermittelt und aus entsprechender Phasenlage auf Position des Tastelemente in z-Richtung geschlossen wird.