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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung von Messwerten eines
optischen Abstandssensors, wobei die Messwerte durch optische Abtastung
eines Messobjekts mittels eines Lichtstrahls gewonnen werden und
wobei aus dem an einem Messpunkt auf dem Messobjekt reflektierten
und durch den Abstandssensor detektierten Lichtstrahl der Abstand
zwischen Messpunkt und Abstandssensor bestimmt wird.
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In
der Praxis werden häufig
optische Abstandssensoren zur Messung von Abständen des Sensors zu einem Messobjekt
oder zum Vermessen von Oberflächenprofilen
verwendet. Häufig
wird hierbei mittels eines Lasers ein Lichtstrahl erzeugt, der auf
ein Messobjekt gelenkt wird. Der Lichtstrahl reflektiert an der
Oberfläche
des Messobjekts und wird von einem Detektor oder einem Detektorarray
des Sensors detektiert. Meist kommen Detektorarrays in Form von
Zeilen- oder Flächenarrays
zum Einsatz.
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Zur
Bestimmung des Abstands werden in der Praxis verschiedene Verfahren
eingesetzt. So sind Triangulationssensoren bekannt, bei denen durch
die Lichtquelle, den beleuchteten Messpunkt und den beleuchteten
Bereich auf dem Detektor ein Dreieck aufgespannt wird. Dabei verlässt der
Lichtstahl unter definiertem Winkel den Sensor, trifft auf das Messobjekt
und wird an dessen Oberfläche
reflektiert. Je nach Abstand des Messobjekts vom Sensor trifft das detektierte
Licht an unterschiedlichen Stellen auf dem Detektor auf. Aus der
Position des Lichtpunkts auf dem Detektor kann auf die Entfernung
des Messpunkts von dem Sensor geschlossen werden. Die Beziehung
zwischen Lichtpunkt auf dem Detektor und Entfernung wird meist aus
Kalibrierungsmessungen gewonnen.
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Der
reflektierte Lichtstrahl wird bei Verwendung eines Detektorarrays
im Allgemeinen nicht lediglich von einem einzigen Element des Detektorarrays
detektiert, sondern trifft auf mehrere Elemente. Zur Bestimmung
des Abstands wird daher der Schwerpunkt der beleuchteten Elemente
bestimmt und als Grundlage für
die Abstandsbestimmung herangezogen.
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Die
bekannten Systeme arbeiten gut, wenn statische Messsituationen vorliegen,
d. h. wenn keine Relativbewegungen zwischen Sensor und Messobjekt
während
einer Messung vorhanden sind. Problematisch sind diese Systeme jedoch,
wenn ein Messobjekt kontinuierlich gescannt werden soll, also der Beleuchtungslichtstrahl über ein
Messobjekt bewegt wird oder sich das Messobjekt bei ortsfestem Beleuchtungslichtstrahl
bewegt oder dreht. Hier kommt es zu Messfehlern, wenn der Lichtstrahl
das Messobjekt lediglich teilweise trifft und ein Teil des Lichtstrahls
das Messobjekt passiert oder wenn das Messobjekt einen ortsabhängigen Reflexionskoeffizienten,
beispielsweise infolge einer Strukturierung oder an Bereichen der
Oberfläche
mit unterschiedlichen Helligkeiten, aufweist. Bei der Schwerpunktbildung
ergeben sich dann zu kleine oder zu große Abstandswerte, abhängig von
der Bewegungsrichtung des scannenden Lichtstrahls relativ zum Messobjekt. Infolgedessen
ergibt sich in dem Messsignal eine scheinbare Abstandsänderung,
auch wenn sich das Messobjekt in einem konstanten Abstand zu dem Sensor
befindet. Dadurch verlieren die Messwerte an Verlässlichkeit,
was insbesondere bei stark strukturierten Messobjekten ein nicht
hinnehmbares Ausmaß annimmt.
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Zur
Verbesserung der Verwertbarkeit der Messwerte ist daher eine Bewertung
der Messwerte notwendig. Hierzu sind jedoch aus dem Stand der Technik
keine zuverlässigen
und einfach anwendbaren Verfahren bekannt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden,
dass Informationen über
die Verlässlichkeit
von Messwerten eines optischen Abstandssensors zur Verfügung gestellt
werden können.
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Erfindungsgemäß wird die
voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach
ist das in Rede stehende Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass
zusätzlich
zu dem Abstand des Messpunkts die Intensität des an dem Messpunkt reflektierten
und durch den Abstandssensor detektierten Lichtstrahls bestimmt
wird und dass durch Auswertung des zeitlichen oder räumlichen Verlaufs
der Intensität über mehrere
weitere Messpunkte hinweg eine Bewertung des Messwerts an dem Messpunkt
durchgeführt
wird.
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Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt
worden, dass auf einfache Art und Weise eine Bewertung der Abstandswerte
erreicht werden kann. Hierzu wird erfindungsgemäß neben den mit dem Abstandssensor
gewonnenen Abstandsinformationen die Intensität des durch den Abstandssensor
detektierten Lichtstrahls genutzt und ausgewertet. Die Intensität des am
Messobjekt reflektierten Lichtstrahls hängt nämlich von der jeweiligen Beschaffenheit
der Oberfläche
des Messobjekts ab. Besser reflektierende Bereiche der Oberfläche erzeugen
eine höhere
Intensität
des reflektierten Lichtstrahls als schlechter oder diffus reflektierende
Oberflächenteile.
Lediglich teilweise reflektierte und teilweise das Messobjekt passierende
Beleuchtungslichtstrahlen werden eine geringere Intensität am Detektor
aufweisen als vollständig
reflektierte Lichtstrahlen. Somit wirken sich starke Schwankungen
im Reflektionskoeffizienten der Oberfläche des Messobjekts ebenso
auf die Intensität
des reflektierten Lichtstrahls aus wie teilweise Reflektionen. Diese
Auswirkungen sind direkt in der Intensität erkennbar.
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Erfindungsgemäß ist ferner
erkannt worden, dass die in der Intensitätsänderung enthaltenen Informationen
relativ einfach aus dem zeitlichen oder örtlichen Verlauf der Intensität extrahierbar
sind. Zeitlicher Verlauf meint den Verlauf der Intensität, der an einem
Detektor des Abstandssensors über
eine Zeile oder mehrere Elemente des Detektors hinweg zu unterschiedlichen
Zeiten gemessen wird. Der Begriff örtlicher Verlauf bezeichnet
einen Intensitätsverlauf, bei
dem der Ort eines Messpunkts auf der Oberfläche des Messobjekts Berücksichtigung
findet. Der örtliche
Verlauf wird im Allgemeinen aus einem zeitlichen Verlauf unter Verwendung
des Wissens über
eine Scanbewegung, d. h. der zeitlichen Veränderung des Ortes eines Messpunkts
auf der Oberfläche
des Messobjekts, berechnet. Sowohl der zeitliche Verlauf als auch
der örtliche
Verlauf sind somit – bei
Widergabe in einem Diagramm – zweidimensionale
Funktionsverläufe,
die sich in Abhängigkeit
von der Zeit ändern.
Die zeitliche Veränderung
entsteht durch Abscannen der Oberfläche, bei der der Beleuchtungslichtstrahl über das
Messobjekt oder das Messobjekt bei einem ortsfesten Beleuchtungslichtstrahl bewegt
wird. Somit beinhalten der zeitliche und der örtliche Verlauf bei einem Scanvorgang
Intensitätswerte,
die an mehreren Messpunkten auf der Oberfläche des Messobjekts in der
Umgebung des aktuell zu bewertenden Messpunkts gewonnen werden.
Diese von dem zu bewertenden Messpunkt verschiedenen Messpunkte
sind nachfolgend als weitere Messpunkte bezeichnet. Der aktuell
zu bewertende Messpunkt ist nachfolgend allgemein mit Messpunkt
bezeichnet.
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Die
Intensität
des detektierten Lichtstrahls nimmt dann ein Maximum an, wenn der
Beleuchtungspunkt das Messobjekt zentral abdeckt, d. h. ein maximaler
Anteil des Lichtstrahls an der Oberfläche des Messobjekts zum Detektor
reflektiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert auch
dann, wenn lediglich die zentralen Bereiche des Lichtstahls reflektiert
werden und die Randbereiche, beispielsweise bei einem schmalen Messobjekt
oder einem schmalen Grat auf dem Messobjekt, an dem Messobjekt vorbeigehen.
Auch hier wird die Intensität
des detektierten Lichtstrahls ein Maximum annehmen, wenn der Lichtstrahl
das Messobjekt zentral abdeckt. Aus den Informationen, in welcher
Weise ein Beleuchtungslichtstrahl an dem Messobjekt reflektiert wird,
d. h. ob an dem jeweiligen Messpunkt vollständige oder teilweises Reflektion
oder ob ein hoher oder niedriger Reflektionskoeffizient vorliegt,
können Rückschlüsse gezogen
werden, wie zuverlässig
ein Messwert an einem Messpunkt ist. Mit den Intensitätswerten
und deren zeitlichem oder räumlichem Verlauf
liegt daher erfindungsgemäß ein Bewertungskriterium
vor, das Aussagen über
die Qualität und
Verlässlichkeit
der Messwerte erlaubt.
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Bei
der Bewertung eines Messwerts werden mehrere weitere Messpunkte
hinzugezogen und hierbei der zeitliche oder räumliche Verlauf der Intensität über diese
mehrere weitere Messpunkte hinweg ausgewertet. Die mehreren weiteren
Messpunkte sind ebenso Punkte der Oberfläche des Messobjekts und von
dem aktuell auszuwertenden Messwert verschieden. Generell werden
an den weiteren Messpunkten jeweils der Abstand zwischen Messpunkt und
Abstandssensor bestimmt und gleichzeitig die Intensität des bei
dem Detektor des Abstandssensors detektierten Lichtstrahls bestimmt.
Diese Werte werden zur Beurteilung der Qualität eines Abstandsmesswerts an
einem bestimmten Messpunkt herangezogen.
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Vorzugsweise
befinden sich die mehreren weiteren Messpunkte in der unmittelbaren
Umgebung des Messpunkts. Die mehreren weiteren Messpunkte können auf
einer Linie liegen, entlang der die Oberfläche des Messobjekts abgescannt
wird. Allerdings können
diese auch Punkte in der Nachbarschaft des aktuellen Messpunkts
umfassen, d. h. dass die weiteren Messpunkte auf einem zweidimensionalen
Bereich verteilt sind, jedoch in unmittelbarer Nähe des aktuellen Messpunkts.
Dies könnte
beispielsweise dann der Fall sein, wenn das Messobjekt linienförmig und
nicht lediglich punktuell beleuchtet wird. Entsprechend einer punkt-
oder linienförmigen Beleuchtung
würde der
Begriff „Messpunkt” auch lediglich
einen einzelnen Punkt oder eine Linie auf der Oberfläche des
Messobjekts bezeichnen. Die Ausführungen
in der vorliegenden Beschreibung gelten für „linienförmige Messpunkte” entsprechend.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zur
verbesserten Auswertung des Verlaufs der Intensität zusätzlich eine
Ableitung gebildet. Die Ableitung kann eine Ableitung nach dem Ort
oder eine Ableitung nach der Zeit umfassen. Insbesondere bei gleichförmigen Scanbewegungen
liefert die Ableitung nach der Zeit ein gutes Bewertungskriterium.
Mittels der Ableitung der Intensität können Messfehler infolge der
Scanbewegung wirkungsvoll erkannt werden. Bewegt sich ein von dem Abstandssensor
ausgesandter Beleuchtungslichtstrahl beispielsweise auf einen besonders
gut reflektierenden Bereich der Oberfläche des Messobjekts zu, so
nimmt die Intensität
des reflektierten und am Abstandssensor detektieren Lichtstrahls
kontinuierlich zu, bis der Beleuchtungslichtstrahl vollständig den
besonders gut reflektierenden Bereich abdeckt. Beim Verlassen des
besonders gut reflektierenden Bereichs reduziert sich die Intensität des detektierten Lichtstrahls
wieder und kehrt auf den anfänglichen
Intensitätswert
zurück.
Wird zur Abstandsmessung eine Schwerpunktbildung über mehrere
beleuchtete Elemente des Detektorarrays vorgenommen, so scheint
eine eigentlich plane Oberfläche
ein Profil aufzuweisen, was in einer Änderung des Messwertes des
Abstandes resultiert. Durch Verwendung der Ableitung der Intensität kann der
Bereich mit sich stark ändernder
Reflektionsrate erkannt werden. Bestünde tatsächlich eine Abstandsänderung,
d. h. das Messobjekt weist tatsächlich
einen Strukturierung an dieser Stelle auf, so würde sich das Intensitätssignal
und dessen Ableitung anders verhalten. Damit kann mittels der Ableitung
des Verlaufs der Intensität
ein Bewertungskriterium bestimmt werden, das Auskunft über die
Verlässlichkeit
der Messwerte des Abstandssensors gibt.
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Als
zusätzlich
oder alternativ verwendetes Bewertungskriterium kann die charakteristische
Breite des Verlaufs der Intensität
des detektierten Lichtstrahls auf dem Detektor des Abstandssensors
herangezogen werden.
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Hinsichtlich
einer weiteren Bewertung der Messwerte kann eine Filterung der Messwerte
durchgeführt
werden. Dies könnte
anhand mehrerer Intensitätswerte
durchgeführt
werden, wobei die mehreren Intensitätswerte an mehreren der weiteren
Messpunkte in der Umgebung des Messpunkts bestimmt werden. Da sich
bei Bewegung eines Beleuchtungslichtstrahls über das Messobjekt selbst bei
stark diskontinuierlichen Messobjekten eine relativ kontinuierliche
Veränderung
der Intensität
einstellen wird, sind Messwerte, die stark von den benachbarten
Messwerten abweichen, im Allgemeinen fehlerbehaftet. Diese stark
abweichenden Messwerte könnten
herausgefiltert oder als besonders unzuverlässig gekennzeichnet werden.
Hier könnte
das Ausmaß der Abweichung
genutzt werden, um die Verlässlichkeit des
Messwertes zu bewerten. Geringfügig
abweichende Messwerte sind verlässlicher
als Messwerte, die in sehr starkem Maße von den benachbarten Messwerten
abweichen.
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Darüber hinaus
kann die Belichtungszeit am Sensor bei der Bewertung der Messwerte
berücksichtigt
werden. Unter Belichtungszeit wird in diesem Zusammenhang die Zeitdauer
verstanden, während der
das an dem Messpunkt reflektierte Licht von dem Detektor des Abstandssensors
empfangen wird. Die Belichtungszeit wird durch gängige optische Abstandssensoren
in Abhängigkeit
der Messsituation nachgeregelt, so dass selbst bei geringer Reflexion noch
ein ausreichendes Sensorsignal zur Verfügung steht. Dadurch verändert sich
in Abhängigkeit
der Belichtungszeit die Peakhöhe.
Andererseits sind bei Anpassung der Belichtungszeit die Intensitätswerte
an verschiedenen Messpunkten nicht direkt vergleichbar, da sich
Belichtungszeiten an den Messpunkten jeweils unterscheiden können. Dies
resultiert aus einer Wechselwirkung zwischen Belichtungszeit und Abtastrate. Ändert sich
die Belichtungszeit bei lückenloser
Abtastung, d. h. es werden kontinuierlich Messwerte gewonnen, so ändert sich
mit der Belichtungszeit das Abtastintervall und damit die Abtastrate. Ändert sich
die Belichtungszeit bei Abtastung mit konstanter Abtastrate, können Lücken zwischen
den vermessenen Punkten oder Bereichen auf der Oberfläche des
Messobjekts entstehen, nämlich
dann, wenn die Belichtungszeit kürzer
ist als das Abtastintervall. Daher könnten die Intensitätswerte
entsprechend der Belichtungszeit korrigiert werden und eine Zuordnung
des Ortes des Messpunktes in Abhängigkeit
der Belichtungszeit erfolgen. Zusätzlich könnten während langer Belichtungszeiten
weitere Anpassungen an den Sensor stattfinden, die die Messwerte verfälschen.
Die Messwerte können
auch in diesen Fällen
entsprechend ihrer Belichtungszeit bewertet werden.
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Zur
Vermeidung einer Abhängigkeit
von der Lichtmenge des durch den Abstandssensor ausgesandten Lichtstrahls
könnte
die gemessene Intensität des
detektierten Lichtstrahls auf die Lichtmenge des durch den Abstandssensor
ausgesandten Lichtstrahls normiert werden. Dadurch können bewusste oder
in Folge von Spannungs- oder
sonstigen Schwankungen auftretende Änderungen der durch den Abstandssensor
abgestrahlten Lichtmenge in dem Intensitätsverlauf berücksichtigt
werden, ohne dass sich diese Änderungen
auf die verwendeten Intensitätswerte
auswirkt.
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Vorteilhafter
Weise kann der Verlauf der Intensität des detektierten Lichtstrahls
durch eine mathematische Funktion skaliert werden. Hier können sowohl
lineare als auch nicht-lineare Funktionen in vorteilhafter Weise
eingesetzt werden. Besonders bevorzugter Weise kommt eine Wurzelfunktion
zum Einsatz, bei der die Quadratwurzel des Intensitätssignals
gebildet wird. Bei vielen Scanvorgängen, insbesondere bei Überstreichen
eines Grates oder eines Bereichs mit hoher Reflektivität, entsteht
ein Verlauf der Wurzelfunktion, dessen Ableitung proportional zu
dem Messfehler ist und genau dann einen Wert gleich Null annimmt,
wenn der tatsächliche
Abstand zwischen Messobjekt und Abstandssensor erreicht ist. Auf
diese Weise entsteht durch Kombination der Skalierung mit einer
Wurzelfunktion und einer Ableitung eine Beurteilung der Messwerte,
die dann besonders zuverlässig
sind, wenn die Ableitung der Wurzel aus dem Intensitätssignal
gleich Null wird oder zumindest nahe Null annimmt. Dem zugehörenden Abstandswert
kann in hohem Maße
vertraut werden. Voraussetzung hierfür ist verständlicher Weise, dass die Intensität zu diesem
Zeitpunkt ungleich Null ist. Ist der Wert der Ableitung der Wurzel
aus dem Intensitätsverlauf
ungleich Null, so liegt mit dem Wert ein Maß für den Messfehler vor. Je größer der
Wert ist, desto größer ist
der Messfehler. Untersuchungen mit Triangulationssensoren haben
gezeigt, dass beim Abscannen von Graten oder Bereichen mit hoher
Reflektivität
der Wert der Ableitung der Wurzelfunktion annähernd proportional zum Messfehler
ist.
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Entsprechend
dem aus der Bewertung des Messwerts gewonnenen Maß kann eine
Korrektur des Messwertes durchgeführt werden. Hierzu wird aus
dem Maß ein
Korrekturfaktor oder ein Korrekurelement gestimmt, mithilfe dessen
der Messwert durch Addition oder Multiplikation korrigiert wird.
Auf diese Weise liegt nicht nur eine Beurteilung der Messwerte hinsichtlich
ihrer Verlässlichkeit
vor, vielmehr sind korrigierte und demnach stärker vertrauenswürdige Messwerte
erzielbar. Die Korrektur von Messwerten könnte auf die Messwerte beschränkt werden,
die ein Mindestmaß an
Verlässlichkeit
aufweisen. Besonders unzuverlässige
Messwerte lassen sich oft nur sehr ungenau korrigieren.
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Alternativ
kann ein zu einem Messpunkt gehörender
Messwert verworfen werden, wenn durch die Bewertung ein Wert ermittelt
wird, der unterhalb einer definierbaren Grenze liegt. Dadurch können besonders
unzuverlässige
Messwerte das Gesamtergebnis nicht beeinflussen.
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Weiter
alternativ können
Messwerte basierend auf ihrer Bewertung zwar behalten jedoch nur
in geringem Maße
in das Gesamtergebnis der Messung einfließen. Je geringer die Zuverlässigkeit
eines Messwerts eingestuft wird, desto geringer wäre sein Einfluss
auf das Messergebnis. Damit besteht eine weitere Möglichkeit,
die Bewertung der Messwerte vorteilhaft zu nutzen.
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Zusätzlich oder
weiter alternativ kann zu jedem Messwert, der nicht verworfen wird,
die Bewertung gespeichert werden. Auf diese Weise liegt zu jedem
Messwert ein Wert vor, der die Zuverlässigkeit des Messwertes dokumentiert.
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Vorzugsweise
kommt das erfindungsgemäße Verfahren
beim Abscannen eines Messobjekts zum Einsatz. Das Messobjekt wird
entlang einer Bahn gescannt, wobei der Abstandssensor oder das Messobjekt
derart bewegt wird, dass die Messpunkte auf der Projektion der Bahn
auf die Oberfläche
des Messobjekts liegen, wobei eine Projektion in Richtung des Beleuchtungslichtstrahls
erfolgt. Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das Messobjekt oder
der Abstandssensor auf einer Ebene oder zumindest auf einer möglichst
einfach definierbaren, geometrischen Fläche (beispielsweise einem Ausschnitt
einer Kugeloberfläche)
bewegt wird. Vorzugsweise ist die Bahn linear, kreisförmig, spiralförmig oder
mäanderförmig. Auch
andere einfach beschreibbare Kurven und Bahnen können vorteilhaft eingesetzt
werden. Auf jeden Fall sollte die Bahn deterministisch sein, damit
eine geometrische Beschreibung für
die Auswertung der am Detektor gemessenen Intensität ermöglicht wird.
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Vorzugsweise
wird das erfindungsgemäße Verfahren
bei der Auswertung von Messwerten eines optischen Abstandssensors
verwendet, der nach dem Triangulationsprinzip arbeitet. Dabei bilden
die Lichtquelle des Abstandssensors, der aktuell beleuchtete Messpunkt
auf der Oberfläche
des Messobjekts und der Detektor des Abstandssensors ein Dreieck.
Der unter definiertem Winkel von der Lichtquelle des Abstandssensors
abgestrahlte Lichtstrahl wird in dem Messpunkt an der Oberfläche des
Messobjekts reflektiert und durch den Detektor detektiert. Aus dem
Abstand zwischen Lichtquelle und dem beleuchteten Punkt auf dem
Detektor kann auf die Höhe des
durch Lichtquelle, Messpunkt und beleuchtetem Punkt gebildeten Dreiecks
geschlossen werden. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen Abstandssensor
und Messpunkt bestimmt werden. Meist dürfte die Bestimmung des Abstands
basierend auf abgespeicherte Daten aus Kalibrierungsmessungen erfolgen. Über diese
Daten ist eine Beziehung zwischen einem beleuchteten Punkt des Detektors
und dem Abstand zu dem Messobjekt hergestellt.
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Vorzugsweise
ist der Lichtstrahl, der durch den optischen Abstandssensor ausgesandt
wird, durch einen Laserstrahl gebildet. Diese verfügen über die
optischen Eigenschaften, um eine zuverlässige Messsituation gewährleisten
zu können.
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Durch
die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
vorgenommene Bewertung der Messwerte kann das erfindungsgemäße Verfahren
beim Abtasten von strukturierten Messobjekten, diskontinuierlichen
Messobjekten (beispielsweise Gitterstrukturen) oder von Messobjekten
mit stark schwankenden Reflexionskoeffizienten eingesetzt werden.
Es ist sogar möglich,
stark strukturierte Messobjekte mit ebenfalls stark schwankenden
Reflexionskoeffizienten zu vermessen. Vorgenannte Messobjekte sind
mit dem Stand der Technik bekannten Messverfahren praktisch nicht
zuverlässig
vermessbar.
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Es
gibt nun verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten
und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche und
andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der
Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der
Erläuterung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer beispielhaften Messsituation, bei
der ein erfindungsgemäßes Verfahren
bei einem Abtasten der Oberfläche
eines Messobjekts mit unterschiedlichem Reflexionskoeffizienten
verwendet werden kann,
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2 ein
Diagramm mit der Intensitätsverteilung
des projizierten Lichtflecks auf der Oberfläche des Messobjekts bei der
Messsituation gemäß 1,
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3 ein
Diagramm, das die Reflektivität
der Oberfläche
des Messobjekts und die Bewegungsrichtung relativ zu dem projizierten
Lichtflecks nach 2,
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4 verschiedene Diagramme mit dem ermittelten
Abstand (4A), der Intensität des detektierten
Lichtstrahls (4B oben), der Ableitung der Intensität (4B unten)
und der Korrektur des ermittelten Abstands (4C),
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5 ein
Diagramm mit unkorrigierten Messwerten aus einer Abstandsmessung über der Zeit,
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6 ein
Diagramm mit Messwerten nach 5, die unter
Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
als gültig
klassifiziert sind, und
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7 ein
Diagramm mit Abstands-Messwerten (oberer Teil) und gemessenen Intensitätswerten (unterer
Teil), bei dem mit einem erfindungsgemäßen Verfahren eine Bewertung
und Auswahl von Abstandswerten vorgenommen wurde.
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1 zeigt
eine typische Messsituation, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren
eingesetzt werden kann. Ein optischer Abstandssensor 1 sendet mittels
einer Lichtquelle 2 einen beleuchtenden Lichtstrahl 3 (Beleuchtungslichtstrahl)
aus, der in einem Messpunkt 8 auf eine Oberfläche 4 eines
Messobjekts 5 triff und dort als reflektierter Lichtstrahl 6 zurück in Richtung
Abstandssensor 1 reflektiert wird. Bei dem Abstandssensor 1 wird
der reflektierte Lichtstrahl 6 nach Passieren einer Linse 11 (oder
allgemein einer Optik) durch ein Detektorarray 7 detektiert.
Aus dem beleuchteten Punkt auf dem Detektorarray 7 wird
in der dargestellten Messsituation unter Verwendung von Daten aus
Kalibrierungsmessungen auf den Abstand A zwischen Abstandssensor 1 und
dem Messpunkt 8 geschlossen.
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2 zeigt
einen Intensitätsverlauf
des durch den Beleuchtungslichtstrahl 3 erzeugten Lichtflecks
auf der Oberfläche 4 des
Messobjekts 5. Eine ähnliche
Verteilung stellt sich auf dem Detektorarray 7 ein. Ist
die charakteristische Breite der Intensität auf dem Detektorarray 7 breiter
als ein einzelnes Element des Detektorarrays (was praktisch immer
der Fall ist), so wird zur Ermittlung des Abstandes A der Schwerpunkt
der beleuchteten Elemente bestimmt. Der Schwerpunkt wird als Auftreffpunkt
des projizierten Lichtstrahls 6 auf dem Detektorarray 7 gewertet und
daraus der Abstand A zu dem Messpunkt 8 auf der Oberfläche 4 des
Messobjekts 5 bestimmt.
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Die
zuvor beschriebene Messsituation bereitet solange keine Probleme,
wie statische Messsituationen oder relativ plane und homogen reflektierende Messobjekte
vorliegen. Bei einer Relativbewegung zwischen Abstandssensor und
Messobjekt und/oder bei Messobjekten mit starker Strukturierung
oder stark schwankenden Reflexionskoeffizienten entsteht in dem
Abstandssignal ein Messfehler. In der Messsituation gemäß 1 wird
das Messobjekt 5 längs
der Achse x verschoben und weist eine Stelle mit einem im Vergleich
zu der Umgebung erhöhten Reflexionskoeffizienten
auf. Trifft der Beleuchtungslichtstrahl 3 auf einen Bereich
mit hoher Reflektivität, so
wird dieser Bereich besser reflektiert als in den zuvor gescannten
Bereichen der Oberfläche 4.
Dies hat zur Folge, dass der zuvor homogen reflektierte Lichtfleck
zunächst
am Rand des Bereichs mit hoher Reflektivität besser reflektiert wird als
zuvor. Dadurch verschiebt sich die Intensitätsverteilung im reflektierten
Lichtstrahl, was wiederum zu einer anderen Intensitätsverteilung
auf dem Detektorarray 7 führt. Dadurch liefert die Schwerpunktermittlung
einen anderen Schwerpunkt auf dem Detektorarray 7 als bei
homogener Reflektivität.
Auch bei konstantem Abstand A zwischen Abstandssensor 1 und
Messobjekt 5 ergibt sich hieraus eine Änderung in dem Messwert des Abstands.
Der auf diese Weise bestimmte Abstand ist in 4A dargestellt.
Der tatsächliche
Abstand A0 scheint sich während der
Bewegung in den besser reflektierenden Punkt zu reduzieren und danach
wieder zu erhöhen.
Dadurch entsteht bei Bewegung eine vermeintliche Abstandsänderung
und es wird auf eine Rille mit anschließendem Grat auf der Oberfläche des
Messobjekts geschlossen, auch wenn eine plane Oberfläche vorliegt.
Es ist zu erkennen, dass der tatsächliche Abstand erst dann gemessen
wird, wenn der Lichtfleck den Punkt mit hoher Reflektivität exakt überdeckt
und somit die Intensität
des detektierten Lichtstrahls sein Maximum annimmt.
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Entsprechendes
ist dem Intensitätssignal
gemäß 4B zu
entnehmen. In der oberen Hälfte
des Diagramms ist der Intensitätsverlauf
des bei dem Detektorarray 7 detektierten Lichtstrahls 6 wiedergegeben.
Ausgehend von einer Grundintensität I0,
die sich bei Messpunkten 8 mit homogener Reflektivität einstellt,
steigt die bei dem Detektorarray 7 detektierte Intensität I(x(t))
kontinuierlich an. Dies geschieht in Abhängigkeit davon, in welchem
Ausmaß der
Bereich mit hoher Reflektivität
von dem durch den Beleuchtungslichtstrahl 3 am Messpunkt 8 gebildeten Beleuchtungsfleck überdeckt
wird. Die Intensität I(x(t))
erreicht dann ihr Maximum, wenn der Beleuchtungsfleck den Bereich
mit hoher Reflektivität
zentral überdeckt.
Danach nimmt die Intensität
des reflektierten Lichtstrahls wieder ab, und zwar in dem Maße, in dem
der Beleuchtungsfleck den Bereich mit hoher Reflektivität wieder
verlässt.
Sobald der Beleuchtungsfleck den Bereich verlassen hat, wird die Grundintensität I0 wieder eingenommen. In Folge dessen bildet
sich ein Intensitätsverlauf
I(x(t)) in Form einer Gaußglocke
aus.
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Im
unteren Teil der
4B ist die Ableitung der Intensität I(x(t))
nach dem Weg über
dem Weg x(t) dargestellt. Ein derartiger Verlauf ist typisch für das Überstreichen
von Bereichen mit hoher Reflektivität. Der Fehler in dem Abstandssignal
zeigt eine Abhängigkeit
von der Ableitung der Intensität
I(x(t)). Dadurch kann aus der Ableitung des Intensitätssignals
I(x(t)) der Fehler in dem Messsignal des Abstandes an verschiedenen
Stellen x(t) bestimmt werden. Als besonders gut geeignet für die Bestimmung
und Kompensation des Messfehlers hat sich erwiesen, wenn vor der
Ableitung nach dem Ort das Intensitätssignal mit einer Wurzelfunktion
skaliert wird. Dadurch ergibt sich als Bewertungskriterium die Funktion:
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Diese
Funktion weist eine Proportionalität zu dem Messfehler auf, so
dass hieraus eine unmittelbare Korrektur des Messwerts und eine
Kompensation des Messfehlers möglich
werden. Ein derart korrigiertes Abstandssignal z'(x(t)) ist in 4C dargestellt. Die
unkorrigierten Abstandsmesswerte z(x(t)) aus 4A sind
zum direkten Vergleich nochmals in 4C eingezeichnet.
Der in dem Bereich der Kurve dargestellte gezackte Verlauf stellt
das korrigierte Abstandssignal z'(x(t))
dar. Es ist deutlich zu erkennen, dass durch Verwendung der Intensität die Messwerte sehr
gut korrigiert werden können.
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Die 5 und 6 beziehen
sich auf eine weitere Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
bei der Vermessung eines Messobjekts. 5 zeigt
die Rohwerte, die sich aus einer Abstandsmessung ergeben. Dabei
wird ein strukturiertes Messobjekt mit vielen schmalen, in einer
Gitterstruktur angeordneten Stegen mit einem Triangulationssensor
entsprechend 1 abgescannt. 5 zeigt
den zeitlichen Verlauf der fehlerbehafteten Abstandwerte. 6 zeigt
Abstandswerte, die durch ein erfindungsgemäßes Verfahren als vertrauenswürdig klassifiziert
worden sind. Hierbei werden die Rohwerte gemäß 5 unter
Verwendung der Intensitätswerte
bewertet und wenig vertrauenswürdige
Messwerte verworfen. In 6 ist deutlich die globale Kontur
der Stegstruktur zu erkennen, während
in 5 keinerlei Informationen über die Kontur enthalten zu
sein scheinen.
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Das
verwendete Auswahlverfahren wird nachfolgend mit Bezug auf 7 genauer
erläutert. 7 zeigt
ein kleineres Teilstück
einer Stegstruktur ähnlich
der in 5 vermessenen Stegstruktur. Der 7 liegt
ein anderer Messverlauf als 5/6 zugrunde.
Im oberen Bereich der 7 sind die gemessenen Abstandswerte über der
Zeit wiedergegeben. Die an den Teilsegmenten des Messwertverlaufs
erkennbaren senkrechten Linien kennzeichnen Messwerte, die durch
das Passieren des Lichtstrahls vorbei an den Stegen der Stegstruktur
hervorgerufen werden. In den Lücken
zwischen den Teilsegmenten weist das Messobjekt ein Loch auf, während die
Stege durch die Linien der Teilsegmente repräsentiert sind. Die Ausbrüche 10 deuten
auf einen Kreuzungspunkt zwischen zwei Stegen der Gitterstruktur
hin. Der obere Teil der 7 zeigt somit fehlerbehaftete Messwerte
eines Abstandssensors eines bekannten Messobjekts.
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Im
unteren Bereich der 7 sind die Intensitätswerte
des am Detektorarray 7 detektierten Lichtstrahls wiedergegeben.
Es ist deutlich zu erkennen, dass die Intensität abhängig von dem beleuchteten Messpunkt
auf dem Messobjekt starken Schwankungen unterworfen ist. In den
Bereichen einer Lücke
zwischen den Stegen sinkt die Intensität auf ein Minimum nahe Null
ab. An den Stegen steigt die Intensität auf ein Maximum an.
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Die
in 7 dargestellten Messwerten wurden unter Verwendung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
einer Bewertung unterworfen. Als Gütekriterium werden der zeitliche
bzw. räumliche
Abstand eines Messpunktes vom Schwerpunkt bzw. Maximum eines Intensitätspeaks
und/oder die charakteristische Breite des Intensitätspeaks
verwendet. In Abhängigkeit
der Intensität
wird an jedem Steg jeweils ein Messpunkt ausgewählt, der für den Steg als repräsentativ
bewertet wird. Es wird der Messpunkt genutzt, an dem die Intensität ein Maximum
annimmt. Als weitere Randbedingung muss dieses Maximum ein ausreichend
isoliertes Maximum sein. Fällt
die Intensität
im Bereich um das Maximum nicht unterhalb eines Schwellenwerts ab,
so wird das nächste
Maximum untersucht. Ein isoliertes Maximum deutet darauf hin, dass
der Beleuchtungsfleck einen Steg zentral abdeckt. Die Messpunkte,
an denen die Intensitätswerte
ein Maximum annehmen, werden als besonders zuverlässig bewertet,
während
die verbleibenden Messwerte verworfen werden.
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Statt
eines einzelnen Messwertes können auch
mehrere Messwerte nicht verworfen werden, bei denen die Intensität einen
Bereich um das Maximum noch nicht unterschritten hat. Der ausgewählte Messwert
oder die ausgewählten
Messwerte werden als repräsentativ
für den
Abstand zwischen Abstandssensor und Steg angenommen. Die ausgewählten Werte
sind im oberen Bereich der 7 etwas
heller wiedergegeben und zur besseren Erkennbarkeit mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichnet. Untersuchungen
haben bestätigt,
dass auf diese Weise eine sehr gut Genauigkeit der gescannten Abstandswerte
erreicht werden kann.
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Zusätzlich können bei
der Bewertung bzw. bei einem Bewertungsteilschritt nach geeigneter
Filterung jeweils drei einzelne Intensitätswerte mit vorgegebenem bzw.
automatisch angepasstem Punktabstand zur Breitenauswahl und Lagebestimmung des
Intensitätspeaks
verwendet werden. Für
die Auswahl bestimmter Peakbreiten wird die Summe der Intensitäten des
ersten und dritten Messpunktes normiert auf die Intensität des zweiten
Messpunktes mit einem Schwellwert verglichen. Für die Lagebestimmung wird der
Betrag der Differenz der Intensitäten des ersten und dritten
Messpunktes normiert auf die Intensität des zweiten Messpunkts mit
einem Schwellwert verglichen.
-
Hinsichtlich
weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil
der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
-
Schließlich sei
ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich
zur Erörterung
der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele
einschränken.
-
- 1
- Optische
Abstandssensor
- 2
- Lichtquelle
- 3
- Beleuchtende
Lichtstrahl (Beleuchtungslichtstrahl)
- 4
- Oberfläche des
Messobjekts
- 5
- Messobjekt
- 6
- Reflektierte
Lichtstrahl
- 7
- Detektorarray
- 8
- Messpunkt
- 9
- Ausgewählter Messwert
- 10
- Ausbrüche im Messwertverlauf
- 11
- Linse
