DE102007003059A1

DE102007003059A1 - Verfahren zur objektivierten Fokussierung für die optische Längenmesstechnik

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Publication number: DE102007003059A1
Application number: DE102007003059A
Authority: DE
Inventors: Susanne Dipl.-Wirtsch. Ing. Töpfer; Maik Dipl.-Ing. Rosenberger; Gerhard Prof. Dr.-Ing. habil. Linß
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2008-07-24
Also published as: DE502008000742D1; DE202008017776U1; WO2008087059A1; EP2109753A1; EP2109753B1; ATE470127T1

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Verfahren zur Ermittlung eines optimierten Fokuskriteriums bereitgestellt werden, mit dem Ziel, die passive Fokussierung in der optischen Längenmesstechnik bedienerunabhängig zu realisieren.
Erfindungsgemäß wird anstelle nur eines oder zweier oder dreier Fokuskriterien ein aus einer Vielzahl (≧ 5) von einzelnen Fokuskriterien kombiniertes Fokuskriterium verwendet, wobei die einzelnen Fokuskriterien sich nur in ihrem Funktionsprinzip unterscheiden.
Anwendung findet dieses neuartige Verfahren z. B. in der optischen Koordinatenmesstechnik, bei der 3-D-Bildverarbeitung und speziell in der optischen Präzisionsmesstechnik.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur objektivierten Fokussierung für die optische Längenmesstechnik mit einem kombinierten Fokuskriterium für passive Fokusverfahren. Anwendung findet dieses neuartige Verfahren z. B. in der optischen Koordinatenmesstechnik, bei der 3D Bildverarbeitung mit einer Bestimmung der geometrischen Merkmale des Messobjektes oder einer Kantendetektion und speziell in der optischen Präzisionsmesstechnik.
Unter einem Koordinatenmessgerät soll in Anlehnung an WO 02/084215 ein Gerät mit mehreren Antrieben, deren jeweilige Position mit Hilfe von Maßstäben bestimmt werden kann, verstanden werden, wobei die Messsensorik relativ zum Werkstück in den 3 Koordinaten x, y und z bewegt werden kann. Die Messsensorik kann dabei aus einem Sensor oder aus mehreren unterschiedlichen Sensoren (Multisensorik) bestehen. Das vorliegende Verfahren kann an allen Koordinatenmessgeräten angewendet werden, bei denen mindestens ein Bildsensor als Teil der Messsensorik vorhanden ist.
Jedes Messobjekt besitzt sein charakteristisches Ortsfrequenzspektrum. Das optische Abbildungssystem wirkt wie ein Bandpass. Folglich werden besonders hohe und besonders tiefe Ortsfrequenzen eliminiert. Bei der Auswertung mit einem einzelnen Fokuskriterium wird eine bestimmte Ortsfrequenz bzw. ein bestimmter Ortsfrequenzbereich in Form der Fokussuche ausgewertet. Besitzt das Messobjekt in dem ausgewerteten Bereich keine signifikanten Signalanteile bzw. ist diese Ortsfrequenz nicht vorhanden, dann schlägt die Fokussuche fehl: entweder es wird gar kein Ergebnis ermittelt oder es wird eine Fokusposition ermittelt, die offensichtlich keine scharfe Abbildung des Messobjektes erlaubt.
Ein Fokuskriterium ist eine mathematische Berechnungsvorschrift, die aus den Intensitätswerten im Bild einen Wert für die Schärfe des Bildes, einen sogenannten Fokuswert, berechnet.
Prinzipiell sind die Fokusverfahren zur Abstandsmessung in die zwei Gruppen Fokussucheverfahren (depth-from-focus) und Defokusverfahren (depth-from-defocus) zu unterteilen. Fokussucheverfahren haben das Ziel, die Objekt- bzw. Bildweite so einzustellen, dass das Bild des Objektes scharf auf dem Bildsensor abgebildet wird. Aus der Kenntnis der Abbildungsgleichung lässt sich somit der Abstand zum Messobjekt bestimmen. Defokusverfahren bestimmen den Radius des Unschärfescheibchens im unscharfen Bild als Maß für die Defokussierung. Daraus kann bei bekannten Daten von Kamera und Abbildungssystem der Abstand zum Messobjekt bestimmt werden. Beide Gruppen der Fokusverfahren können jeweils in aktive und passive Verfahren unterteilt werden. Passive Verfahren arbeiten mit Umgebungslicht oder unter näherungsweise konstanten Beleuchtungsbedingungen. Sie erfordern somit für ihre Funktion keine eigene Lichtquelle. Die Beleuchtung erfüllt lediglich die Hilfsfunktion, das Messobjekt zu beleuchten und dadurch die Bildaufnahme zu ermöglichen. Bei aktiven Verfahren hingegen ist eine eigene Lichtquelle erforderlich [1]. Typischerweise ändert sich die vom Detektor registrierte Lichtintensität während der Fokussierung signifikant (z. B. konfokales Mikroskop, Autofokussensor) oder die örtliche Intensitätsverteilung auf dem Messobjekt (z. B. strukturierte Beleuchtung) ist für die Fokussierung maßgeblich.
In der optischen Präzisionsmesstechnik werden typischerweise Fokussucheverfahren eingesetzt. Aktive Fokussucheverfahren werden in Form von Autofokussensoren angewendet (s. a. [2]). Am häufigsten ist jedoch der Einsatz passiver Fokussucheverfahren. Typischerweise wird die Messobjektebene, die parallel zum Bildsensor liegt, mit den Koordinaten x und y beschrieben und die optische Achse des zugehörigen Abbildungssystems mit der z-Koordinate. Bei den meisten optischen Koordinatenmessmaschinen (KMG) wird die Objektweite bzw. die z-Koordinate bei der Fokussuche variiert. In der industriellen Praxis wird standardmäßig das Fokuskriterium verwendet, welches in 80 Prozent aller Fälle eine erfolgreiche Fokussuche gewährleistet. Bei den restlichen 20 Prozent bleibt es dem Maschinenbediener überlassen, ein geeignetes Kriterium einzustellen. Folglich ist das Messergebnis abhängig von den Fähigkeiten des Maschinenbedieners und subjektiv beeinflusst. In der Fachliteratur wird die Idee, zwei Kriterien miteinander zu kombinieren, oft formuliert (z. B. [3], [4], und [5]).
In [3] beschreibt der Autor z. B. ein Zoomsystem auf Basis flexibel verformbarer Linsen. Die Messung der Bildschärfe erfolgt durch Aufnahme mit einer CCD Kamera und Anwendung eines einzelnen Fokuskriteriums auf das aufgenommene Bild. Entsprechend dem Fokuswert wird anschließend die Brennweite des Objektivs variiert. Als Fokuskriterium wurde die Varianz (VAR) verwendet. Auf der Seite 84, im Kapitel 7 „Technischer Ausblick" ist formuliert, dass die Fokussierung „[...] durch Korrelation mehrerer Fokusfunktionen (z. B. VAR und TSPC (Thresholded Video-Signal Pixel Count)) in unterschiedlichen Bildbereichen verbessert werden [...]" kann. Es werden jedoch keine weiteren Ausführungen dazu gemacht.
In [4] beschreiben die Autoren die Untersuchung und den Vergleich von verschiedenen Fokuskriterien für den Autofokus von Mikroskopen und anderen optischen Instrumenten anhand von drei typischen Messobjekten. Als Ergebnis der Untersuchung wird als optimales Fokuskriterium eine Kombination aus einem breitbauchigem Kriterium (z. B. Normierte Varianz) und einem spitzgipfligen Kriterium (z. B. quadratischer Gradient) empfohlen. In diesem Fall besteht das kombinierte Fokuskriterium aus zwei verschiedenen Fokuskriterien, die jeweils eine besondere Anforderung an den Funktionsverlauf (spitzgipflig und breitbauchig) erfüllen müssen. Das breitbauchige Kriterium soll einen breiten Fokusbereich und das spitzgipflige eine hohe Wiederholpräzision gewährleisten. In [5] nennt der Autor auf Seite 23 verschiedene Fokuskriterien, die in der optischen Koordinatenmesstechnik zum Einsatz kommen. Im Kapitel 8.2 wird ein kombiniertes Fokuskriterium als gewichtete Summe von einzelnen Fokuskriterien vorgeschlagen. Dabei wird jedoch nur eine begrenzte Anzahl von Fokuskriterien für die Kombination vorgeschlagen. Konkret werden drei Fokuskriterien für das kombinierte Kriterium vorgeschlagen und durch Formeln mathematisch beschrieben – die Grauwertdifferenz, der Kontrast und die mit dem Mittelwert normierte Streuung. Als Motivation für die Wichtung von Fokuskriterien wird die Steigerung der Robustheit der Fokussierung genannt. Es werden jedoch keine experimentellen Daten zu dem kombinierten Fokuskriterium angeführt.
Daneben wird in der DE 42 26 523 ein Verfahren zur Fokussierung basierend auf dem sogenannten „dual-out-of-focus" Prinzip beschrieben. Dabei wird angeführt, dass die aufgenommenen Bilder mit einem oder mehreren Fokuskriterien ausgewertet werden können. „[...] Es werden somit für jedes der drei Teilbilder (36, 37, 38) ein oder mehrere Fokuskriterien erhalten. Dabei kann vorgesehen werden, dass im Falle einer ungenügenden Aussage eines derartigen Fokuskriteriums eine Rückmeldung an das Bildverarbeitungssystem (12) erfolgt, mit der eine Anforderung nach einer neuen Strategie für die Einheit (15) der Signalaufbereitung und für die Einheit (16) zur Berechnung des oder der Fokuskriterien angefordert wird. [...]" Folglich beinhaltet dieses Patent im Gegensatz zum kombinierten Fokuskriterium, dass die Kriterien nicht parallel angewendet und entsprechend ausgewertet werden, sondern, dass hier eine Regelung vorliegt und eine neue Auswertung der Bilder, wenn ein Fokuskriterium sich als ungenügend erweist, erfolgt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zu überwinden und ein Verfahren zur Ermittlung eines optimierten Fokuskriteriums bereitzustellen, mit dem Ziel, die passive Fokussierung in der optischen Längenmesstechnik bedienerunabhängig zu realisieren.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 – Ablauf eines passiven Fokusverfahrens nach [6]
2 – Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens
In 1 ist u. a. eine Fokusfunktion bzw. Fokuskurve (Bildschärfe als Funktion der z-Koordinate) dargestellt, die durch die Anwendung eines Fokuskriteriums auf eine Bildsequenz (digitalisierte Bildfolge) entsteht.
Statt nur einem oder zwei oder drei Fokuskriterien enthält das kombinierte, erfindungsgemäße Fokuskriterium eine Vielzahl (≥ 5) von einzelnen Fokuskriterien, wie z. B. die Kantensteilheit n-ten Grades, der Gradient n-ter Ordnung, das Laplacekriterium, die Varianz, die Z-Symmetrie oder das Moment n-ter Ordnung des Histogramms oder des Leistungsspektrums (s. Tabelle 3 und 4). Das stellt gegenüber dem Stand der Technik eine neue Qualität dar. An die einzelnen Fokuskriterien für das kombinierte Fokuskriterium werden keine speziellen Anforderungen (z. B Spitzgipfligkeit) gestellt. Lediglich das Funktionsprinzip der einzelnen Fokuskriterien muss unterschiedlich sein. Folglich wertet jedes einzelne Fokuskriterium einen anderen Ortsfrequenzbereich aus, wobei sich die Ortsfrequenzbereiche verschiedener Fokuskriterien aber durchaus teilweise überdecken können.
Jedes einzelne der Kriterien wird auf die aufgenommene Bildfolge (1) angewendet und es wird jeweils eine Fokuskurve (Bildschärfe als Funktion der z-Koordinate) erzeugt. Alle Fokuskurven werden jeweils bezüglich ihrer Qualität (Güte) nach [6] bewertet. Die Güte der Fokuskurven kann anhand aller oder anhand einer Untermenge der folgenden sechs Kriterien bewertet werden:

– Unimodalität: Die Anzahl der Maxima der Fokuskurve darf nicht größer als 1 sein.
– Robustheit: Bewertung des Rauschens der Fokuskurve
– Genauigkeit: Das Extremum der Fokuskurve tritt auf, wenn das System fokussiert ist.
– Wiederholbarkeit: Bewertung der Wiederholpräzision anhand der Spitze der Fokuskurve,
– Definitionsbereich: Bewertung der Breite der Fokusfunktion im unteren Wertebereich,
– Allgemeine Anwendbarkeit: Die Anwendbarkeit des Fokuskriteriums sollte nicht auf eine bestimmt Anzahl von Bildsezenen begrenzt sein.

In der Praxis wird die Güte von Fokuskurven häufig anhand der vier Kriterien Unimodalität, Definitionsbereich, Wiederholbarkeit und Robustheit bestimmt.
Der Wertebereich der Güte einer Fokuskurve (Fokusgüte) läuft von 0 für eine exzellente Güte bis einschließlich 100, welches für eine extrem schlechte Güte steht.
Von allen einzelnen Fokuskriterien werden nur die Fokuskriterien mit ausreichender Güte (Q ≤ Q_G, wobei häufig Q_G = 30) anschließend für die Berechnung der Fokusposition als gewichteter Mittelwert der Fokuspositionen der einzelnen Fokuskurven verwendet. Die Bewertung der Qualität der einzelnen Fokuskurven sowie die Nutzung dieser Kennzahl einerseits für die Wichtung und andererseits für die Eliminierung von ungenügenden Fokuskurven stellt ebenfalls eine neue Qualität gegenüber dem Stand der Technik dar. Es handelt sich bei diesem Verfahren aus regelungstechnischer Sicht um keine Regelung, sondern um eine Steuerung. Die Bildsequenz wird nur einmal aufgenommen.
In 2 ist der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Für jede Fokuskurve, die eine Qualität gleich oder besser bzw. kleiner als der maximal zulässige Wert der Qualität der Fokuskurve Q_G (beispielsweise 30) aufweist, wird der z-Wert für das Maximum der Fokusfunktion bestimmt. Dieses Maximum ist der Fokuswert für die jeweilige Fokusfunktion. Für alle Fokusfunktionen mit einer ausreichenden Fokusgüte wird der gewichtete Mittelwert aus den zugehörigen Fokuspositionen berechnet. Der Wichtungsfaktor wird dabei aus der jeweiligen Qualitätskennzahl der Fokusfunktion abgeleitet, beispielsweise durch Verwendung des reziproken Wertes. Die berechnete Fokusposition des kombinierten Fokuskriteriums wird anschließend als Stellgröße an das Bewegungssystem des optischen Messgeräts gesendet.
Mit dem vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahren wird eine objektivierte Messung ermöglicht, bei der man für ein und dasselbe Messobjekt stets dasselbe Messergebnis erhält. Die Einstellung von Fokuskriterien durch einen Bediener ist nicht mehr erforderlich und die Messung kann unabhängig vom Ortsfrequenzspektrum des Messobjektes erfolgen.
Literaturliste

[1] – Rönneberg, G.: Ein passives Fokusverfahren zur Vermessung von Mikrostrukturen. In: Fortschritt-Berichte VDI Reihe 8, Nr. 741 (1999)
[2] – Qingxiang, L.; Lifen, B.; Shifu, X.; Luyun, C.: Autofocus system for microscope. In: Optical Engineering (2002), Vol. 41, Nr. 6, S. 1289–1294
[3] – Widl, A.: Abbildende Optik auf Basis flexibel verformbarer Linsen. Technische Universität München, Dissertation, 1998
[4] – Groen, F. C. A.; Young, I. T.; Ligthart, G.: A comparison of different focus functions for use in autofocus algorithm. In: Cytometry (1985), Nr. 6, S. 81–91
[5] – Nehse, U.: Beleuchtungs- und Fokusregelungen für die objektivierte optische Präzisionsantastung in der Koordinatenmesstechnik. Technische Universität Ilmenau, Dissertation, 2001
[6] – Töpfer, S.; Nehse, U.; Linß, G.: Quality measures for depth-from-focus approaches. In: Proceedings of SPIE, vol. 6180, pp. 55–60, 2006

Tabelle 3
Tabelle 4
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 02/084215 [0002]
- DE 4226523 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Rönneberg, G.: Ein passives Fokusverfahren zur Vermessung von Mikrostrukturen. In: Fortschritt-Berichte VDI Reihe 8, Nr. 741 (1999) [0023]
- Qingxiang, L.; Lifen, B.; Shifu, X.; Luyun, C.: Autofocus system for microscope. In: Optical Engineering (2002), Vol. 41, Nr. 6, S. 1289–1294 [0023]
- Widl, A.: Abbildende Optik auf Basis flexibel verformbarer Linsen. Technische Universität München, Dissertation, 1998 [0023]
- Groen, F. C. A.; Young, I. T.; Ligthart, G.: A comparison of different focus functions for use in autofocus algorithm. In: Cytometry (1985), Nr. 6, S. 81–91 [0023]
- Nehse, U.: Beleuchtungs- und Fokusregelungen für die objektivierte optische Präzisionsantastung in der Koordinatenmesstechnik. Technische Universität Ilmenau, Dissertation, 2001 [0023]
- Töpfer, S.; Nehse, U.; Linß, G.: Quality measures for depth-from-focus approaches. In: Proceedings of SPIE, vol. 6180, pp. 55–60, 2006 [0023]

Claims

Verfahren zur objektivierten Fokussierung für passive Fokusverfahren in der optischen Längenmesstechnik dadurch gekennzeichnet, dass ein Fokuskriterium, welches aus einer Kombination einer Vielzahl einzelner Fokuskriterien (≥ 5) gebildet wird, verwendet wird, wobei die einzelnen Fokuskriterien sich nur in ihrem Funktionsprinzip unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: – Aufnahme einer Bildsequenz; – für jedes einzelne Fokuskriterium wird eine Fokusfunktion (Bildschärfe als Funktion der z-Koordinate) für die aufgenommene Bildsequenz erzeugt; – die erhaltenen Fokusfunktionen werden bezüglich ihrer Qualität (Q) bewertet; – für jede Fokusfunktion mit einer Qualitätskennzahl Q ≤ Q_G (Grenzqualität) wird das jeweilige Maximum ermittelt; – aus den ermittelten Fokusmaxima wird ein gewichteter Mittelwert als einzustellende Fokusposition generiert, wobei der Wichtungsfaktor entweder konstant ist oder sein Betrag aus der jeweiligen Qualitätskennzahl der Fokusfunktion abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, das die Güte der einzelnen Fokusfunktionen anhand eines einzelnen oder einer Kombination aus Einzelkriterien, wie z. B. Unimodalität, Genauigkeit, Definitionsbereich, Wiederholbarkeit, Robustheit und Allgemeine Anwendbarkeit, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Wichtung der verschiedenen Fokuspositionen mit einer Qualität gleich oder besser der Grenzqualität Q_G als Reziprokwert des Betrages der jeweiligen Qualität bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Wichtung der verschiedenen Fokuspositionen mit einer Qualität gleich oder besser der Grenzqualität Q_G als Reziprokwert der Rangnummer des Betrages der jeweiligen Qualität bestimmt wird, wenn die verbliebenen Fokusfunktionen nach dem steigenden Betrag ihrer jeweiligen Qualität geordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Fokusfunktionen aus der aufgenommenen Bildsequenz entweder parallel oder sequentiell erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass bei der Aufnahme der Bildsequenz entweder die Bild- oder die Objektweite variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, das die Bildsequenz mit einer Grauwertkamera aufgenommen wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, das die Bildsequenz mit einer Farbkamera aufgenommen wurde.
Präzisionsmessgerät, insbesondere Koordinatenmessgerät zur maßlichen Erfassung von Werkstücken anhand eines Bildsensors dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Ausführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 vorhanden sind.
Präzisionsmessgerät, insbesondere Koordinatenmessgerät zur maßlichen Erfassung von Werkstücken, mit mehreren Sensoren (Multisensorik), wovon mindestens einer ein Bildsensor ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Ausführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 vorhanden sind.
Messgerät mit mindestens einer Bewegungsachse, zur maßlichen Erfassung von Werkstücken, mit einem oder mehreren Sensoren (Multisensorik), wovon mindestens einer ein Bildsensor ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Ausführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 vorhanden sind.