DE102011116734B4

DE102011116734B4 - Verfahren zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstands eines optischen Sensors eines Koordinatenmessgeräts

Info

Publication number: DE102011116734B4
Application number: DE201110116734
Authority: DE
Inventors: Walter Mittelstädt
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: DE102011116734A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren (70) zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstands eines optischen Sensors (14) eines Koordinatenmessgeräts (10) auf ein zu vermessendes Werkstück (12), wobei der optische Sensor (14) und das Werkstück (12) in einer Z-Richtung (20) relativ zueinander bewegbar sind, so dass ein Abstand (22) in der Z-Richtung (20) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14) veränderbar ist, mit den folgenden Schritten des Festlegens (72) eines ersten Abstands als Startabstand (34) und eines zweiten Abstands als Endabstand (36), und des erstes Veränderns (74) des Abstands (22) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14) von dem Startabstand (34) in Richtung des Endabstands (36) mit einer ersten Geschwindigkeit, wobei der optische Sensor (14) während des Verändern des Abstands erste Bilder des Werkstücks (12) erfasst, und wobei jedem erfassten ersten Bild ein endgültiger erster Fokuswert und ein erster Bildabstand zugeordnet wird. Des Weiteren weist das Verfahren die Schritte des Auswertens (76) der endgültigen ersten Fokuswerte und Erfassen eines Überschreitens eines Extremwerts (56) der endgültigen ersten Fokuswerte; und, wenn ein Überschreiten des Extremwerts erfasst wurde, des zweiten Veränderns (78) des Abstands (22) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14) zurück in Richtung des Startabstands (34) mit einer zweiten Geschwindigkeit, die geringer als die erste Geschwindigkeit ist, wobei der optische Sensor (14) während des Veränderns des Abstands zweite Bilder des Werkstücks (12) erfasst, und wobei jedem erfassten zweiten Bild ein endgültiger zweiter Fokuswert und ein zweiter Bildabstand zugeordnet wird; und des Auswertens (80) der endgültigen zweiten Fokuswerte und Ermitteln des zweiten Bildabstands, bei dem ein Extremwert (96) der endgültigen zweiten Fokuswerte vorliegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstands eines optischen Sensors eines Koordinatenmessgeräts auf ein zu vermessendes Werkstück, wobei der optische Sensor und das Werkstück in einer Z-Richtung relativ zueinander bewegbar sind, so dass ein Abstand in der Z-Richtung zwischen dem Werkstück und dem optischen Sensor veränderbar ist, mit den folgenden Schritten:

– Festlegen eines ersten Abstands als Startabstand und eines zweiten Abstands als Endabstand; und
– erstes Verändern des Abstands zwischen dem Werkstück und dem optischen Sensor von dem Startabstand in Richtung des Endabstands mit einer ersten Geschwindigkeit, wobei der optische Sensor während des Veränderns des Abstands erste Bilder des Werkstücks erfasst, und wobei jedem erfassten ersten Bild ein endgültiger erster Fokuswert und ein erster Bildabstand zugeordnet wird.

Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Koordinatenmessgerät mit einem optischen Sensor und einer Regelungseinrichtung zur Fokussierung des optischen Sensors.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2007 039 981 A1 bekannt.
Koordinatenmessgeräte sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Sie dienen dazu, beispielsweise im Rahmen einer Qualitätssicherung Werkstücke zu überprüfen oder die Geometrie eines Werkstücks vollständig im Rahmen eines sog. ”Reverse Engineering” zu ermitteln. Darüber hinaus sind vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar.
In derartigen Koordinatenmessgeräten können verschiedene Arten von Sensoren zur Anwendung kommen, um die Koordinaten eines zu vermessenden Werkstücks zu erfassen. Beispielsweise sind hierzu taktil messende Sensoren bekannt, wie sie beispielsweise von der Anmelderin unter der Produktbezeichnung ”VAST XT” oder ”VAST XXT” vertrieben werden. Hierbei wird die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks mit einem Taststift angetastet, dessen Koordinaten im Messraum ständig bekannt sind. Ein derartiger Taststift kann auch entlang der Oberfläche eines Werkstücks bewegt werden, so dass in einem solchen Messvorgang im Rahmen eines sog. ”Scanning-Verfahrens” eine Vielzahl von Messpunkten in festgelegten zeitlichen Abständen erfasst werden kann.
Darüber hinaus ist es bekannt, optische Sensoren einzusetzen, die ein berührungsloses Erfassen der Koordinaten eines Werkstücks ermöglichen. Ein Beispiel für einen derartigen optischen Sensor ist der unter der Produktbezeichnung ”ViScan” von der Anmelderin vertriebene optische Sensor.
Die Sensoren können dann in verschiedenen Arten von Messaufbauten verwendet werden. Ein Beispiel für einen solchen Messaufbau ist das Produkt ”O-INSPECT” der Anmelderin. Bei einem derartigen Gerät finden sowohl ein optischer Sensor als auch ein taktiler Sensor Anwendung, um verschiedene Prüfaufgaben an einer Maschine und idealerweise mit einer einzigen Aufspannung eines zu vermessenden Werkstücks durchzuführen. Auf diese Weise lassen sich einfach sämtliche Prüfaufgaben beispielsweise in der Medizintechnik, der Kunststofftechnik, der Elektronik und der Feinmechanik durchführen. Selbstverständlich sind darüber hinaus auch verschiedene andere Aufbauten denkbar.
In einem Gerät, wie beispielsweise dem ”O-INSPECT”, wird das vermessene Werkstück auf einem Tisch aufgespannt. Der Tisch bildet dabei eine X-Y-Ebene. Senkrecht von dieser Ebene, d. h. in Z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems, ist der optische Sensor von dem zu vermessenden Werkstück beabstandet. Abhängig von dem zu vermessenden Werkstück und der relativen Position des optischen Sensors und des Tischs zueinander ist der optische Sensor auf das zu vermessende Werkstück zu fokussieren. In der Regel gilt dabei für alle X-Y-Positionen des Tischs eine Fokussierung in Z-Richtung.
Die Fokussierung wird dabei automatisch von dem Koordinatenmessgerät durchgeführt. Dies erfolgt bekannterweise derart, dass ein Anwender den optischen Sensor zunächst manuell auf eine Position bzw. einen Abstand zu dem zu vermessenden Werkstück bewegt, in dem er etwa eine maximale Schärfe bzw. Fokussierung auf das Werkstück erwartet. Er gibt dann einen Suchbereich in Form einer Längenangabe bzw. einer Entfernung in Z-Richtung vor, in der nach der maximalen Schärfe bzw. besten Fokussierung gesucht werden soll.
Die Kamera wird dann um die Hälfte des vorgegebenen Suchbereichs weiter von dem zu vermessenden Werkstück entfernt und bewegt sich dann mit sehr langsamer Geschwindigkeit bis zum Ende des Suchbereichs auf das Werkstück zu. Während dieser Kamerafahrt werden mittels des optischen Sensors in bestimmten Zeitintervallen Bilder dieses Werkstücks erfasst und von dem Koordinatenmessgerät von dem optischen Sensor abgefragt. Im Rahmen einer Auswertung wird dann ein sog. Fokuswert eines bestimmten Bereichs des abgefragten Bildes ermittelt und die Position bzw. der Abstand zu dem zu vermessenden Werkstück, in dem die Bildanforderung abgeschickt wurde, zusammen mit dem Fokuswert gespeichert. Mit der so ermittelten Vielzahl von Fokuswerten und den jeweils zugehörigen Abständen zu dem zu vermessenden Werkstück lässt sich eine sog. Fokuswertkurve auftragen. Das Koordinatenmessgerät ist dann dazu in der Lage, einen Extremwert dieser Kurve zu bestimmen. Der zu dem Extremwert dazugehörige Abstand stellt dann denjenigen Abstand dar, in dem die maximale Schärfe bzw. die beste Fokussierung des optischen Sensors vorliegt und der optische Sensor wird in diesem Abstand zu dem zu vermessenden Werkstück eingestellt.
Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren zum Bestimmen eines Fokuswerts bekannt. Beispielsweise kann für die Auswertung ein Bereich der Bilder ausgewählt werden, in dem eine Kante eines zu vermessenden Werkstücks liegt. In diesem Bereich befindet sich dann ein sehr abrupter Farbübergang bzw. Hell-Dunkel-Übergang. Ein Fokuswert kann dann beispielsweise der maximale Gradient der Graustufenwerte des Bildes senkrecht zu der Kante sein. Je schärfer ein Bild eingestellt ist, desto höher wird der Gradient sein, da idealerweise ein abrupter Übergang von Hell zu Dunkel von einem Pixel auf den nächsten erfolgt. Je unschärfer das Bild eingestellt ist, desto kontinuierlicher ist der Hell-Dunkel-Übergang und desto geringer ist der Gradient. Selbstverständlich sind darüber hinaus auch viele weitere Möglichkeiten zur Bestimmung eines Fokuswerts denkbar und bekannt.
Wenn bei derartigen Verfahren systembedingt keine Möglichkeit besteht, einem jeweiligen Bild den exakten Abstand direkt zuzuordnen, in dem es aufgenommen wurde, kann es zu Ungenauigkeiten der Abstandsbestimmung kommen. Bei einer kontinuierlichen Kamerafahrt durch den Suchbereich stimmt der Zeitpunkt der Verwendung eines Bildes von dem optischen Sensor durch das Koordinatenmessgerät angeforderten Bildes niemals mit dem Zeitpunkt überein, in dem der optische Sensor das auf die Anfrage gelieferte Bild tatsächlich aufgenommen hat. Zum Beispiel kann durch den optischen Sensor mittels eines sog. ”Frame Grabbers” ständig in bestimmten Zeitintervallen ein Bild aufgenommen und für eine nachfolgende Verwendung zur Verfügung gestellt werden. Fragt das Koordinatenmessgerät, bzw. seine Regelungseinrichtung, ein Bild ab, so wird das jeweils aktuelle Bild geliefert. Dies bedeutet jedoch, dass das Koordinatenmessgerät, wenn es ein Bild anfordert, ein Bild erhält, das vor einem gewissen Zeitraum erzeugt und übertragen wurde und somit eigentlich schon ”älter” ist. Umgekehrt kann vorgesehen sein, dass das Koordinatenmessgerät, bzw. seine Regelungseinrichtung, bei dem optischen Sensor ein Bild in Auftrag gibt. Je nach den verwendeten Systemkomponenten kann es unterschiedlich lange dauern, bis dann ein Bild von einem optischen Sensor aufgenommen wird und zur Verfügung steht. Der Abstand zum Zeitpunkt der Aufnahme ist dann ein anderer als der Abstand zum Zeitpunkt des In-Auftrag-Gebens des Bildes, da sich die Kamera zwischenzeitlich schon bewegt hat. Der zu einem bestimmten Bild hinterlegte Abstand zwischen optischem Sensor und zu vermessendem Werkstück ist somit niemals der tatsächliche Abstand.
Daher ist natürlich auch dann, wenn ein Bild ermittelt wurde, das eine maximale Schärfe aufweist, der für dieses Bild hinterlegte Abstand, auf den der optische Sensor zur Fokussierung eingestellt wird, nicht derjenige Abstand, in dem die maximale Schärfe auch tatsächlich erreicht wurde. Einem derartigen System ist somit ein gewisser Fehler inhärent.
Um diesen Fehler zu minimieren, wird der Suchbereich gegenwärtig mit einer möglichst langsamen Geschwindigkeit durchfahren. Dies dauert jedoch relativ lange, so dass ein derartiges Verfahren zur automatischen Ermittlung der Fokussierung eines optischen Sensors eines Koordinatenmessgeräts viel Zeit in Anspruch nimmt.
Natürlich könnte der Suchbereich sukzessive durchfahren werden, d. h. für jede Bildaufnahme wird der optische Sensor angehalten. Da jedoch eine Vielzahl von Bildaufnahmen innerhalb eines Suchbereichs vorgenommen wird, dauert ein solches Verfahren selbstverständlich noch länger, auch wenn es keine systembedingten Fehler aufweisen würde.
Eine Möglichkeit, die Ermittlung einer optimalen Fokussierung eines optischen Sensors einzustellen, ist beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2009 027 353 A1 gezeigt. Hier ist für den bestimmten optischen Sensor eine normalisierte Fokuswertkurve hinterlegt. Dadurch kann bereits mit einer geringen Anzahl von Aufnahmen eine momentane Lage des optischen Sensors auf der normalisierten Fokuswertkurve ermittelt und der optische Sensor dann in eine Position gebracht werden, die auf der normalisierten Fokuswertkurve einer optimalen Position entspricht. Auf diese Weise kann zwar eine relativ zügige Autofokussierung bereitgestellt werden, in der Regel werden jedoch nicht die für die Koordinatenmesstechnik erforderlichen Genauigkeitsanforderungen erfüllt. Darüber hinaus zeigt diese Druckschrift mehrere Beispiele für die Bestimmung von Fokuswerten.
Darüber hinaus sind mehrere weitere Möglichkeiten zur Erhöhung der Genauigkeit eines Verfahrens zur Bestimmung der bestmöglichen Fokussierung eines optischen Sensors vorgeschlagen worden.
Beispielsweise wird in der eingangs genannten Druckschrift DE 10 2007 039 981 A1 vorgeschlagen, in einem bestimmten Bereich der Fokuswertkurve die ermittelten Fokuswerte mit einer Funktion zu ”fitten” und dann diese Kurve auszuwerten.
Darüber hinaus ist beispielsweise aus den Druckschriften DE 102 15 135 A1 und DE 10 2007 003 059 A1 bekannt, mehrere verschiedene Fokuskriterien an einem Bild zu ermitteln und diese etwa aufzusummieren oder gewichtet zu mitteln, um möglichst genau die Lage des Abstands der maximalen Schärfe zu ermitteln.
Des Weiteren zeigen die Druckschriften 10 2005 009 554 A1 und WO 2006/125466 A1 verschiedene Vorschläge zur Bestimmung von Fokuswerten aufgenommener Bildstapel.
Des Weiteren zeigt die Druckschrift DE 101 39 945 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Objektpunktes an einem Objekt wie Werkstück oder Werkzeug mittels eines Sensors. Um bei hoher Messgeschwindigkeit eine überaus präzise Messung zu erzielen, ist vorgesehen, dass eine erste Bestimmung des Objektpunktes durch Verfahren des Sensors in Richtung des Objektes mit einer ersten Geschwindigkeit V₁ erfolgt und dass eine zweite Bestimmung des Objektpunktes durch Verfahren des Sensors von dem Objekt weg mit einer zweiten Geschwindigkeit V₂ erfolgt, wobei die eigentliche Messwertbestimmung bei der zweiten Objektpunktbestimmung durchgeführt wird.
Vor diesem Hintergrund ist es eine technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstands eines optischen Sensors eines Koordinatenmessgeräts und ein Koordinatenmessgerät bereitzustellen, bei dem die Ermittlung des bestmöglichen fokussierten Bildabstands möglichst schnell bei gleichbleibend hoher Genauigkeit erfolgt.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird daher vorgeschlagen, das eingangs genannte Verfahren durch die folgenden Schritte fortzubilden:

– Auswerten der endgültigen ersten Fokuswerte und Erfassen eines Überschreitens eines Extremwerts der endgültigen ersten Fokuswerte;
– wenn ein Überschreiten des Extremwerts erfasst wurde, zweites Verändern des Abstands zwischen dem Werkstück und dem optischen Sensor zurück in Richtung des Startabstands mit einer zweiten Geschwindigkeit, die geringer als die erste Geschwindigkeit ist, wobei der optische Sensor während des Veränderns des Abstands zweite Bilder des Werkstücks erfasst, und wobei jedem erfassten zweiten Bild ein endgültiger zweiter Fokuswert und ein zweiter Bildabstand zugeordnet wird; und
– Auswerten der endgültigen zweiten Fokuswerte und Ermitteln des zweiten Bildabstands, bei dem ein Extremwert der endgültigen zweiten Fokuswerte vorliegt.

Des Weiteren sind die folgenden Schritte vorgesehen:

– Drittes Verändern des Abstands zwischen dem Werkstück und dem optischen Sensor in Richtung des Endabstands mit einer dritten Geschwindigkeit, die, insbesondere im Wesentlichen, der zweiten Geschwindigkeit entspricht, wobei der optische Sensor während des Bewegens dritte Bilder des Werkstücks erfasst, und wobei jedem erfassten dritten Bild ein endgültiger dritter Fokuswert und ein dritter Bildabstand zugeordnet wird,
– Auswerten der endgültigen dritten Fokuswerte und Ermitteln des dritten Bildabstands, bei dem ein Extremwert der endgültigen dritten Fokuswerte vorliegt, und
– Bestimmen eines endgültigen fokussierten Bildabstands aus dem zweiten Bildabstand, bei dem ein Extremwert der endgültigen zweiten Fokuswerte vorliegt, und aus dem dritten Bildabstand, bei dem ein Extremwert der endgültigen dritten Fokuswerte vorliegt.

In der vorgeschlagenen Ausgestaltung wird somit der Extremwert, bei dem der endgültige fokussierte Bildabstand vorliegt, dreimal überfahren. Zunächst einmal mit einer sehr hohen Geschwindigkeit, um den Extremwert zunächst rein qualitativ zu erfassen. Dann wird der Extremwert zweimal mit einer langsamen Geschwindigkeit überfahren, wobei dieses langsame Verändern des Abstands zwischen optischem Sensor und Werkstück nicht über den gesamten Suchbereich, sondern lediglich über den im Rahmen des ersten Veränderns ermittelten Ausschnitt erfolgt, in dem der Extremwert liegt. Da bei dieser Ausgestaltung der Extremwert einmal überfahren wird, während der Abstand zu dem Werkstück verringert wird, und einmal überfahren wird, während der Abstand zu dem Werkstück vergrößert wird, und dies beides mit einer langsamen Geschwindigkeit, kann die Genauigkeit des schlussendlich ermittelten endgültigen fokussierten Bildabstands vergrößert werden.
Unter dem Begriff ”endgültiger Fokuswert” ist dabei derjenige Fokuswert zu verstehen, der für das jeweilige Bild und den zugeordneten Abstand in die Ermittlung des letztendlichen Abstands maximaler Schärfe direkt Eingang findet. Der endgültige Fokuswert kann dabei jedoch vorab für das Bild aus mehreren verschiedenen Fokuswerten ermittelt worden sein, die sowohl aufsummiert als auch gemittelt oder gewichtet gemittelt oder auf andere Art miteinander kombiniert sein können. Aus den endgültigen Fokuswerten wird dann letztlich eine Fokuswertkurve gebildet, deren Extremwert ermittelt wird. In der Regel sind die Fokuswerte derart gebildet, dass der Extremwert ein Maximum ist. Grundsätzlich kann dies jedoch auch ein Minimum sein.
Erfindungsgemäß wird somit der Suchbereich zunächst mit einer ersten, sehr hohen Geschwindigkeit durchfahren. Bei dieser Fahrt muss die Genauigkeit nicht sehr groß sein. Diese erste Fahrt dient lediglich dazu, zu erfassen, wann der Extremwert überschritten wurde. Sobald dies geschehen ist, wird mit einer zweiten, langsameren Geschwindigkeit, die eine hohe Genauigkeit zur Folge hat, zurückgefahren. Folglich muss nicht der gesamte Suchbereich mit der langsamen Geschwindigkeit, die aber eine hohe Genauigkeit zur Folge hat, durchfahren werden, sondern nur ein Teilbereich, in dem der Extremwert der Fokuswerte liegt.
Das relative Bewegen zwischen dem optischen Sensor und das Verändern des Abstands kann dabei erfolgen, indem der optische Sensor festgehalten wird und ein Tisch, auf dem das Werkstück angeordnet ist, in Z-Richtung bewegt wird. Die Z-Richtung steht dabei senkrecht auf dem Tisch bzw. dem Werkstück. Eine Entfernung zwischen dem optischen Sensor und dem Werkstück in Z-Richtung gibt somit den Abstand zwischen dem optischen Sensor und dem Werkstück wieder.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Tisch bzw. das Werkstück fest steht und der optische Sensor bewegt wird. Letztlich kann selbstverständlich auch vorgesehen sein, dass sowohl der optische Sensor als auch das Werkstück bewegt werden. Es kommt lediglich darauf an, den Abstand, d. h. die Entfernung zwischen dem optischen Sensor und dem Werkstück in Z-Richtung zu variieren.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen, das eingangs genannte Koordinatenmessgerät dahingehend weiterzubilden, dass die Regelungseinrichtung zur Ausführung eines Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung eingerichtet ist.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird darüber hinaus ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm bereitgestellt, das Programmcodemittel zur Durchführung eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Koordinatenmessgerät oder einer Datenverarbeitungseinrichtung eines Koordinatenmessgeräts, die insbesondere auch als externe Einheit an das Koordinatenmessgerät angeschlossen sein kann, oder einer Regelungseinrichtung eines Koordinatenmessgeräts ausgeführt wird.
Das Koordinatenmessgerät gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und das Computerprogrammprodukt gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weisen dieselben Vorteile wie das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung können des Weiteren die folgenden Schritte vorgesehen sein:

– Festlegen eines Abstands, in dem während des zweiten Veränderns das Überschreiten des Extremwerts erfasst wurde, als einen ersten Zwischenabstand, und
– Festlegen eines zweiten Zwischenabstands in einer vorbestimmten Entfernung relativ zu dem ersten Zwischenabstand, wobei das zweite Verändern von dem ersten Zwischenabstand bis zu dem zweiten Zwischenabstand durchgeführt wird.

Auf diese Weise kann durch geeignetes Wählen der vorbestimmten Entfernung vermieden werden, dass bei dem zweiten Verändern der Abstand wieder bis zurück zu dem Startabstand verändert wird. Stattdessen kann er nur um die vorbestimmte Entfernung zurück in Richtung des Startabstands verändert werden.
Auf diese Weise kann das Verfahren weiter beschleunigt werden, ohne jedoch wesentlich an Genauigkeit zu verlieren.
Insbesondere kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das dritte Verändern von dem zweiten Zwischenabstand bis zu dem ersten Zwischenabstand durchgeführt wird.
In dieser Ausgestaltung wird somit der verringerte Suchbereich zwischen dem ersten Zwischenabstand und dem zweiten Zwischenabstand einmal während des zweiten Veränderns und einmal während des dritten Veränderns komplett durchfahren. Die so erhaltenen Fokuswertkurven lassen sich dadurch besonders gut korrelieren.
In einer Ausgestaltung kann des Weiteren vorgesehen sein, dass das Auswerten des ersten, des zweiten und des dritten Bildabstands, bei dem ein Extremwert der endgültigen ersten, zweiten bzw. dritten Fokuswerte vorliegt, erfolgt, indem eine die ersten, zweiten bzw. dritten Fokuswerte verbindende Fokuswertkurve mittels eines Polynoms approximiert wird und ein Extremwert des Polynoms bestimmt wird.
Dies stellt eine besonders einfache Vorgehensweise dar, die aus den einzelnen Fokuswerten bestehende Punkteschar auszuwerten.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass das Polynom ein Polynom zweiter Ordnung ist.
Eine derartige Auswertung mittels eines Polynoms zweiter Ordnung, d. h. einer Parabel, ermöglicht anschließend eine besonders einfache Ermittlung des Extremwerts des Polynoms. Je nach Gestaltung der Fokuswerte kann es sich bei dem Extremwert um ein Maximum oder ein Minimum handeln. In der Regel werden die Fokuswerte jedoch so definiert, dass sich für den Extremwert ein Maximum ergibt.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Auswerten der endgültigen ersten Fokuswerte und das Erfassen eines Überschreitens des Extremwerts der endgültigen ersten Fokuswerte mittels der folgenden Schritte erfolgt:

– Festsetzen des zuerst ermittelten ersten Fokuswerts als Vergleichswert;
– Vergleichen jedes weiteren ermittelten ersten Fokuswerts mit dem Vergleichswert und Ersetzen des Vergleichswerts durch den weiteren ermittelten ersten Fokuswert, wenn der weitere ermittelte erste Fokuswert extremer als der Vergleichswert ist, und
– Festlegen des Vergleichswerts als Extremwert der endgültigen ersten Fokuswerte, wenn eine vorbestimmte Anzahl von n benachbarten ersten Fokuswerten nicht extremer als der Vergleichswert ist.

Sind die Fokuswerte derart definiert, dass es sich bei dem Extremwert um ein Maximum handelt, ist der Begriff ”extremer” entsprechend als ”größer” zu lesen, sind die Fokuswerte derart definiert, dass es sich bei dem Fokuswert um ein Minimum handelt, ist der Begriff ”extremer” entsprechend als ”kleiner” zu lesen.
Somit wird zunächst der Fokuswert des ersten Bildes als Vergleichswert definiert. Wird dann ein zweites Bild aufgenommen und dessen Fokuswert ermittelt, wird dieser mit dem hinterlegten Vergleichswert verglichen. Ist der Wert des zweiten Fokusbilds größer, wird er zum neuen Vergleichswert. Dies wird fortgesetzt, bis ein Fokuswert eines zuletzt aufgenommenen Bildes nicht extremer bzw. im Falle eines Maximums als Extremwert größer als der Vergleichswert ist. Dann wird ermittelt, wie viele benachbarte, d. h. vor und nach dem aktuellen Vergleichswert aufgenommene Fokuswerte weniger extrem bzw. im Falle eines Maximums als Extremwert kleiner als der Vergleichswert sind. Beispielsweise kann hinterlegt sein, dass n = 2 benachbarte Fokuswerte nicht extremer bzw. im Falle eines Maximums als Extremwert kleiner als der Vergleichswert sein sollen, damit dieser als Extremwert der Fokuswertkurve identifiziert wird. Selbstverständlich kann für n auch jede andere geeignete Zahl, beispielsweise 5, 10, 15, 20 gewählt sein.
Auf diese Weise ist es möglich, den Extremwert der Fokuswertkurve des Suchbereichs während des ersten Durchfahrens mit einer hohen Geschwindigkeit bereits grob zu erfassen, ohne den gesamten Suchbereich durchfahren zu müssen. Insbesondere endet das erste Verändern, wenn wie voranstehend beschrieben das Überfahren des Extremwerts ermittelt wurde. Dann schließt sich umgehend das zweite Verändern des Abstands mit langsamerer Geschwindigkeit und höherer Genauigkeit und ggf. das dritte Verändern mit ebenfalls langsamerer Geschwindigkeit an.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Zuordnen des ersten, des zweiten und/oder des dritten endgültigen Fokuswerts zu jedem ersten, jedem zweiten bzw. jedem dritten Wert erfolgt, indem das jeweilige Bild dann im Zeilensprungverfahren in Form eines ersten Halbbildes und eines zweiten Halbbildes erfasst wird, wobei ein erster Teilfokuswert für das erste Halbbild und ein zweiter Teilfokuswert für das zweite Halbbild ermittelt wird, und der jeweilige endgültige Fokuswert aus der Summe des ersten Teilfokuswerts und des zweiten Teilfokuswerts gebildet wird.
Bei optischen Sensoren kann es häufig vorgesehen sein, dass die Bildaufnahme in einem sog. ”Interlaced-Modus” erfolgt. Das heißt, ein Bild setzt sich immer aus zwei Halbbildern zusammen, die im Zeilensprungverfahren aufgenommen wurden. Dabei umfasst das erste Halbbild die gerade nummerierten Zeilen und das zweite Halbbild die ungerade nummerierten Zeilen. Bei einem Zusammensetzen der Halbbilder kann es jedoch unter Umständen zu Problemen kommen, so dass zwischen den Zeilen Sprünge auftreten. Dieses kann die Auswertung der Fokuswerte beeinflussen. In der Praxis wurde daher häufig auf das zweite Halbbild verzichtet und zur Bestimmung der Fokuswerte lediglich ein Halbbild herangezogen. Um die Auswertung zu verbessern, kann jedoch vorgesehen sein, dass sowohl das erste Halbbild als auch das zweite Halbbild jeweils separat betrachtet werden und für jedes Halbbild ein Teilfokuswert ermittelt wird. Der endgültige Fokuswert des Bildes setzt sich dann aus der Summe des ersten Teilfokuswerts und des zweiten Teilfokuswerts zusammen. Auf diese Weise können besonders einfach beide Halbbilder genutzt werden und die Genauigkeit der Ermittlung des Fokuswerts wird weiter erhöht.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Zuordnen des ersten, des zweiten und des dritten endgültigen Fokuswerts zu jedem ersten, jedem zweiten bzw. jedem dritten Bild erfolgt, indem der jeweilige endgültige Fokuswert eines jeweiligen Bildes als Mittelwert aus dem Fokuswert des jeweiligen Bildes und den Fokuswerten von m benachbarten Bildern gebildet wird.
Gegenüber einer einfach aus den direkt ermittelten Fokuswerten gebildeten Kurve tritt auf diese Weise eine Art Glättung der Fokuswertkurve ein. Ein endgültiger Fokuswert ermittelt sich aus dem Durchschnitt der Summe des zunächst für dieses Bild ermittelten Fokuswerts und einer bestimmten Anzahl von m benachbarten, d. h. früher und später aufgenommenen Bildern. Beispielsweise kann m = 2 gesetzt werden. Dann ermittelt sich der endgültige Fokuswert eines Bildes bzw. Bildabstands als Durchschnittswert aus der Summe des Fokuswerts des jeweiligen Bildes und der zwei früher und der zwei später aufgenommenen Bilder. Da es bezüglich der Auswertung einer Fokuswertkurve lediglich auf deren qualitativen Verlauf ankommt, kann der endgültige Fokuswert auch lediglich aus der Summe des jeweiligen Fokuswerts des Bildes und der zwei benachbarten Bilder gebildet werden. Eine anschließende Durchschnittsbildung ist grundsätzlich nicht notwendig.
Selbstverständlich kann für m auch jede andere geeignete Anzahl, beispielsweise 1, 3, 4, 5, 10, 15 gewählt sein.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Zuordnen des ersten, des zweiten und/oder des dritten endgültigen Fokuswerts zu jedem ersten, jedem zweiten bzw. jedem dritten Bild erfolgt, indem zunächst das jeweilige Bild in einem Zeilensprungverfahren in Form eines ersten und eines zweiten Halbbildes erfasst wird, wobei ein erster Teilfokuswert für das erste Halbbild und ein zweiter Teilfokuswert für das zweite Halbbild ermittelt wird, und ein jeweiliger Fokuswert aus der Summe des ersten Teilfokuswerts und des zweiten Teilfokuswerts gebildet wird, und der jeweilige endgültige Fokuswert eines jeweiligen Bildes als Mittelwert aus dem Fokuswert des jeweiligen Bildes und den Fokuswerten von m benachbarten Bildern gebildet wird.
Ein derartiges Verfahren vereinigt somit die Vorteile der voranstehend geschilderten Möglichkeiten. Zum einen kann mit der Auswertung beider Halbbilder die Genauigkeit des Verfahrens erhöht werden, und gleichzeitig ist das Verfahren aufgrund der Bildung eines Mittelwerts robuster gegenüber Ausreißern.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Entfernung zwischen dem ersten Zwischenabstand und dem zweiten Zwischenabstand der Hälfte einer Entfernung zwischen dem Startabstand und dem Endabstand entspricht.
Bei dieser Art der Aufteilung der Entfernung zwischen dem ersten Zwischenabstand und dem zweiten Zwischenabstand im Verhältnis zu dem Startabstand und zu dem Endabstand hat sich herausgestellt, dass eine gute Genauigkeit bei gleichzeitig einer guten Beschleunigung des gesamten Verfahrens bereitgestellt werden kann.
Des Weiteren kann in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Bestimmen eines endgültigen fokussierten Bildabstands aus dem zweiten Bildabstand, bei dem ein Extremwert der endgültigen zweiten Fokuswerte vorliegt, und aus dem dritten Bildabstand, bei dem ein Extremwert der endgültigen dritten Fokuswerte vorliegt, erfolgt, indem der zweite Bildabstand, bei dem ein Extremwert der endgültigen zweiten Fokuswerte vorliegt, und der dritte Bildabstand, bei dem ein Extremwert der endgültigen dritten Fokuswerte vorliegt, gemittelt werden.
Wie bereits voranstehend ausgeführt wurde, wird bei dem zweiten Verändern und bei dem dritten Verändern der Abstand zwischen dem optischen Sensor und dem Werkstück jeweils einmal derart geändert, dass er sich verringert und einmal derart geändert, dass er sich vergrößert. Wie ebenfalls bereits voranstehend ausgeführt wurde, ist es zum Beispiel so, dass zu dem Zeitpunkt, an dem ein Bild durch das Koordinatenmessgerät von dem optischen Sensor abgefragt wird, das Bild bereits um einige Zeit zurückliegend aufgenommen wurde. Somit ergibt sich, dass von dem zweiten Bildabstand, bei dem ein Extremwert der endgültigen zweiten Fokuswerte vorliegt und von dem dritten Bildabstand, bei dem ein Extremwert den endgültigen dritten Fokuswert vorlegt, jeweils ein Bildabstand etwas zu weit in Richtung des Werkstücks verschoben und jeweils ein Bildabstand etwas zu weit weg von dem Werkstück verschoben ist. Durch Mittelung dieser beiden Bildabstände kann gut der tatsächliche Bildabstand, bei dem eine maximale Schärfe bzw. Fokussierung vorliegt, ermittelt werden.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass bei der Mittelung der zweite Bildabstand, bei dem ein Extremwert der endgültigen zweiten Fokuswerte vorliegt, mit, zum Beispiel einem Kehrwert, der zweiten Geschwindigkeit und der dritte Bildabstand, bei dem ein Extremwert der endgültigen dritten Fokuswerte vorliegt, mit, zum Beispiel einem Kehrwert, der dritten Geschwindigkeit gewichtet wird.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass, auch wenn die zweite Geschwindigkeit und die dritte Geschwindigkeit identisch sein sollen, diese tatsächlich leicht unterschiedlich sein können. Ein Grund hierfür kann darin liegen, dass das zweite Verändern und das dritte Verändern in der Regel jeweils einmal mit der Schwerkraft und einmal entgegen der Schwerkraft erfolgen. Insofern hat sich gezeigt, dass die Genauigkeit des Verfahrens weiter erhöht werden kann, wenn bei der Mittelung eine Gewichtung mittels der zweiten und der dritten Geschwindigkeit erfolgt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Festlegen eines ersten Abstands als Startabstand und Festlegen eines zweiten Abstands als Endabstand erfolgt, indem von einem Nutzer ein erwarteter fokussierter Bildabstand angegeben wird, und der Startabstand und der Endabstand jeweils in einer vorbestimmten Startentfernung entgegengesetzt zueinander ausgehend von dem erwarteten fokussierten Bildabstand festgesetzt werden.
Entsprechend wird somit von dem Nutzer manuell der erwartete fokussierte Bildabstand eingegeben. In einem Beispiel kann hierbei die Startentfernung bei etwa 50 mm liegen. Ist etwa dann die vorbestimmte Startentfernung mit 10 mm vorgegeben, würde sich der Suchbereich entsprechend von 40 mm bis 60 mm Abstand erstrecken.
Auf diese Weise kann besonders einfach das Festlegen des Startabstands und des Endabstands erfolgen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Koordinatenmessgeräts,
2a eine beispielhafte Ansicht eines Bildes,
2b die Fokussierungsverhältnisse bei der Aufnahme des Bildes in 2a,
2c eine schematische Ansicht zur Erläuterung einer Fokuswertkurve,
3 eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Auseinanderfallens von gespeichertem und tatsächlichem Abstand bei der Aufnahme eines Bildes,
4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens,
5 eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Verfahrens,
6 eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Ablaufs einer Ausführungsform des Verfahrens,
7 ein Diagramm zur Erläuterung des Einflusses der Geschwindigkeit auf die. Bestimmung des endgültigen fokussierten Bildabstands,
8a eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Verwendung von Halbbildern,
8b ein schematisches Diagramm, das die Fokuswertkurven bei der Verwendung nur eines Halbbildes und beider Halbbilder gegenüberstellt,
9 eine schematische Darstellung, die den Einfluss einer Glättung auf die Fokuswertkurven verdeutlicht, und
10 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zum Erfassen eines Überschreitens eines Extremwerts während des Schritts eines ersten Veränderns.
1 zeigt ein Koordinatenmessgerät 10. Das Koordinatenmessgerät 10 dient zum Vermessen eines Werkstücks 12. Hierzu weist das Koordinatenmessgerät 10 einen optischen Sensor 14 auf. In Ergänzung zu dem optischen Sensor 14 können selbstverständlich noch weitere Sensoren vorgesehen sein, beispielsweise taktile Sensoren, die jedoch in der vorliegenden schematischen Ansicht nicht dargestellt sind.
Das zu vermessende Werkstück 12 ist auf einem Tisch 16 angeordnet. In der dargestellten Ansicht ist der Tisch in einer X-Y-Ebene eines Koordinatensystems 18 ausgerichtet. Senkrecht zu dem Tisch 16 erstreckt sich eine Z-Richtung 20. Ein Abstand zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 in der Z-Richtung 20 ist mit einem Bezugszeichen 22 gekennzeichnet. Der optische Sensor 14 und der Tisch 16 bzw. das Werkstück 12 sind relativ zueinander bewegbar. Auf diese Weise kann der Abstand 22 verändert werden. Grundsätzlich kann hierzu vorgesehen sein, dass entweder der Tisch 16 zumindest in einer Z-Richtung bewegbar ist, oder dass der optische Sensor 14, beispielsweise mittels einer geeigneten Mechanik 24, in der Z-Richtung bewegbar ist. Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass sowohl der optische Sensor 14 als auch der Tisch 16 in der Z-Richtung bewegbar sind.
Der Einfachheit halber wird in den folgenden Ausführungen angenommen, dass der Tisch 16 bzw. das Werkstück 12 fest verbleibt und der optische Sensor 14 in der Z-Richtung bewegt wird, um den Abstand 22 zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 zu verändern. Dies muss jedoch nicht zwingend so sein.
Um den Abstand 22 derart zu verändern, dass der optische Sensor 14 auf das Werkstück 12 fokussiert ist, weist das Koordinatenmessgerät 10 eine Regelungseinrichtung 26 auf. Die Regelungseinrichtung 26 ist dazu in der Lage, den optischen Sensor 14 in einem Abstand 22 relativ zu dem Werkstück 12 derart zu bewegen, dass die mittels des optischen Sensors 14 aufgenommenen Bilder eine maximale Schärfe aufweisen. Hierzu kann eine Autofokussierungsfunktion des Koordinatenmessgeräts 10 ausgelöst werden. Des Weiteren weist das Koordinatenmessgerät 10 eine Datenverarbeitungseinrichtung 28 auf, die derart eingerichtet ist, dass sie eine Anforderung von Bildern des optischen Sensors 14 und ihre Auswertung durchführt und basierend auf diesen Ergebnissen eine Position des optischen Sensors 14 ausgibt, bei der eine Fokussierung des optischen Sensors 14 auf das Werkstück 12 eingerichtet ist. Diese wird dann durch die Regelungseinrichtung 26 eingestellt. Selbstverständlich kann es sich bei der Regelungseinrichtung 26 und der Datenverarbeitungseinrichtung 28 auch um eine einzige Einheit bzw. ein einziges Element handeln, die Datenverarbeitungseinrichtung 28 und die Regelungseinrichtung 26 sind lediglich zu Erläuterungszwecken als getrennte Einheiten dargestellt.
Darüber hinaus kann das Koordinatenmessgerät 10 ein Eingabegerät 30 aufweisen. Mit diesem kann ein Nutzer beispielsweise gewünschte Suchbereiche in das Koordinatenmessgerät 10 eingeben oder aber den optischen Sensor 14 manuell bewegen und so auch manuell einen Abstand 22 zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 einstellen.
Zu Beginn eines Verfahrens kann vorgesehen sein, dass ein Nutzer den optischen Sensor 14 etwa in die Nähe eines erwarteten fokussierten Abstands 32 einstellt. Ausgehend von diesem erwarteten fokussierten Abstand werden ein Startabstand 34 und ein Endabstand 36 festgelegt, die zwischen sich einen Suchbereich 38 definieren. In dem vorliegenden Beispiel weist der Startabstand 34 einen größeren Abstand 22 von dem Werkstück 12 als der Endabstand 36 auf. Selbstverständlich kann dieses auch umgekehrt gewählt sein. Alternativ kann des Weiteren vorgesehen sein, dass, falls keine Nutzereingabe zu Beginn erfolgen soll, der Startabstand 34 in einem maximal möglichen Abstand 22 zwischen optischem Sensor 14 und Werkstück 12 festgelegt wird und der Endabstand 36 in einem minimal möglichen Abstand 22 zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 festgelegt wird.
2a zeigt ein Beispiel für ein während eines Fokussierungsvorgangs durch den optischen Sensor 14 aufgenommenes Bild.
In der 2b sind die Aufnahmeverhältnisse während des Aufnehmens des in 2a dargestellten Bildes aufgezeigt.
In der dargestellten Ausführungsform kann beispielsweise vorgesehen sein, dass als ein Fokuswert ein Hell-Dunkel-Übergang über eine Kante 40 herangezogen wird, die in dem Bildabstand des Werkstücks 12 sichtbar ist. Entsprechend wird eine sog. ”Area Of Interest (AOI)” 42 in dem Bild festgelegt, die die Kante 40 aufweist und im Folgenden ausgewertet wird. In dem dargestellten Beispiel verläuft die Kante 40 horizontal durch das Bild. Entsprechend kann beispielsweise ein Graustufengradient in vertikaler Richtung, d. h. senkrecht zu der Kante 40, innerhalb der AOI 42 zur Bildung des Fokuswerts herangezogen werden. Der optische Sensor 14 ist während der Aufnahme in einem bestimmten Abstand 22 zu dem Werkstück 12 eingestellt. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass eine dem optischen Sensor 14 zugewandte Oberfläche des Werkstücks 12 untersucht werden soll. Der optische Sensor 14 weist ein optisches System 44 auf, das für eine optimale Fokussierung derart eingerichtet und angeordnet sein muss, dass eine Spitze 46 eines Fokuskegels auf der zu betrachtenden Oberfläche des Werkstücks 12 angeordnet wird. Im vorliegenden Beispiel liegt der Fokuskegel leicht innerhalb des Werkstücks 12, d. h. der Abstand 22 ist etwas zu klein. Entsprechend ist das in der 2a dargestellte Bild leicht unscharf, d. h. ein Hell-Dunkel-Übergang über die Kante 40 weist einen relativ flachen Gradienten auf. Im Falle einer maximalen Schärfe würde sich der Fokuskegel 46 auf dem Werkstück 12 befinden. Der Hell-Dunkel-Übergang würde dann innerhalb der AOI 42 abrupter und der Gradient entsprechend höher, so dass ein höherer Fokuswert entstehen würde. Entsprechend ist in der folgenden Erläuterung der Fokuswert im dargestellten Beispiel derart gewählt, dass ein größerer Fokuswert eine bessere Fokussierung wiedergibt, ein maximaler Fokuswert also eine maximale Schärfe und damit eine optimale Fokussierung des optischen Sensors 14 auf das Werkstück 12 wiedergibt. Selbstverständlich können auch alle anderen bekannten Fokuswerte allein oder in Kombinationen verwendet werden, zusätzlich kann es auch möglich sein, dass sich für einen minimalen Fokuswert eine maximale Schärfe bzw. optimale Fokussierung ergibt.
In der 2c ist schematisch dargestellt, wie sich aus einem aufgenommenen Bildstapel eine Fokuswertkurve ergibt.
Bei dem Durchfahren des Suchbereichs 38 von dem Startabstand 34 in Richtung des Endabstands 36 in negative Z-Richtung 20 werden Bilder 48 aufgenommen. Die Anzahl der Bilder kann variieren. Sie ist unter anderem abhängig von den verwendeten Komponenten, insbesondere der Kamera, von der Größe des Suchbereichs und der Geschwindigkeit bei dem Durchfahren des Suchbereichs. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass ein Mindestwert für die Anzahl der aufzunehmenden Bilder vorgegeben wird. Beispielsweise kann als Mindestwert eine Anzahl von 25 vorgegeben werden. Bei einem zu durchfahrenden Suchbereich mit einer Größe von beispielsweise 1 mm kann dann die Anzahl der aufgenommenen Bilder bei einer Geschwindigkeit von etwa 0,9 mm pro Sekunde in einem Bereich von 25 bis 30 Bildern liegen. Bei einer Geschwindigkeit von 0,3 mm pro Sekunde kann die Anzahl der aufgenommenen Bilder beispielsweise in einem Bereich von 25 bis 100 Bildern liegen.
Auf diese Weise wird ein Bildstapel aus mehreren Bildern 48 erzeugt. Jedem Bild 48 ist ein Bildabstand 50 zugeordnet, der angibt, in welchem Bildabstand 50 relativ zu dem Werkstück das jeweilige Bild 48 aufgenommen wurde.
Für jedes Bild 48 wird dabei ein Fokuswert 52 ermittelt. Aus den Bildabständen 50 und den jeweiligen Fokuswerten 52 ergibt sich somit eine Punkteschar, die, wenn sie verbunden werden, eine Fokuswertkurve 54 wiedergeben. Die Fokuswertkurve 54 erstreckt sich somit dann über den gesamten abgefahrenen Suchbereich 38. Die Fokuswertkurve 54 weist einen Extremwert 56 auf. Der diesem Extremwert 56 zugehörige Extremwertabstand 58 ist folglich derjenige Abstand, der gemäß der Auswertung die bestmögliche Fokussierung des optischen Sensors 14 auf das Werkstück 12 mit der maximalen Schärfe des dann aufgenommenen Bildes 48 anzeigt.
Des Weiteren ist in der 2c eine Entfernung 59 zwischen dem Startabstand 34 und dem Endabstand 36 aufgetragen. Die Entfernung 59 unterteilt sich in zwei gleich lange Abschnitte 59; ausgehend von dem von einem Nutzer zunächst eingestellten erwarteten fokussierten Abstand 32 werden der Startabstand 34 und der Endabstand 36 derart bestimmt, dass sie sich entgegengesetzt zueinander ausgehend von dem erwarteten fokussierten Abstand 32 jeweils in der Entfernung 59' erstrecken. In dem dargestellten Beispiel ist der Startabstand 34 weiter von dem Werkstück entfernt als der Endabstand 36. Dies kann aber selbstverständlich auch umgekehrt gewählt sein.
In der 3 ist ein dem Ermitteln der Fokuswertkurve 54 zugehöriges Problem erläutert.
Im Folgenden wird dabei angenommen, dass der optische Sensor beispielsweise mit einer ”Frame Grabber-Karte” ausgestattet ist, die kontinuierlich Bilder erfasst, so schnell dies der optische Sensor 14 ermöglicht. Wird durch das Koordinatenmessgerät 10 dann ein Bild durch den optischen Sensor 14 abgefragt, wird das zuletzt erfasste Bild oder das gerade in Erfassung befindliche Bild ausgegeben.
Wird also ein Bild von dem optischen Sensor 14 abgefragt, wird diesem Bild zwar die gegenwärtige Position des optischen Sensors 14 zugeordnet, das Bild wird aber tatsächlich zu einem zurückliegenden Zeitpunkt und damit beim zurückliegenden Abstand 22 erfasst. Im umgekehrten Fall, nämlich dass der optische Sensor 14 ein Bild auf Anfrage ermittelt, ergibt sich der umgekehrte Fall. Das Bild wird dann erst mit einem gewissen Zeitversatz nach der Anfrage, d. h. später als eigentlich abgefragt, erfasst.
Im Folgenden wird das Beispiel derart erläutert, dass die Fokuswertkurve bei einem Durchfahren des Suchbereichs 38 von oben nach unten, d. h. in negative Z-Richtung 20 durchfahren wird. Des Weiteren wird das Bild aus dem optischen Sensor 14 abgefragt, wobei dann das zuletzt erfasste Bild 48 an das Koordinatenmessgerät 10 ausgegeben wird. In diesem Fall wird über einen Zeitraum 60 ein Bild für einen optischen Sensor 14 erfasst und abgelegt. Entsprechend ist das Bild dann tatsächlich über den Zeitraum 60 erfasst worden. Wird nun ein Bild von dem Koordinatenmessgerät 10 angefordert, wird dieses tatsächlich über den Zeitraum 60 erfasste Bild an das Koordinatenmessgerät geliefert, wobei noch der Übertragungsweg mit der dafür benötigten Zeit bis zur endgültigen Bereitstellung des Bildes hinzuzurechnen ist. Dem tatsächlichen über den Zeitraum 60 erfassten Bild wird somit der Abstand 62 zugeordnet. Abhängig von der Geschwindigkeit, mit der der Abstand zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 geändert wurde, bzw. mit dem der optische Sensor 14 auf das Werkstück 12 zu bewegt wurde, ist die Differenz zwischen dem tatsächlichen Abstand und dem Abstand 62 größer bzw. geringer. Dies führt jedoch dazu, dass beispielsweise in dem Fall, in dem der Abstand 62 als Extremwert und Abstand mit bester Fokussierung ermittelt wird, ein Fehler bezüglich des Abstands mit der besten Fokussierung vorliegt, da die tatsächliche Aufnahme über den Zeitraum 60 erfolgte.
Als Beispiel für eine Größenordnung dieses Fehlers kann man beispielsweise annehmen, dass bei einer Entfernung 59 von 10 mm und einer Dauer des Durchfahrens von 5 Sekunden eine Geschwindigkeit von 2 mm pro Sekunde des optischen Sensors 14 vorliegt. Bei der weiteren Annahme, dass zwischen der tatsächlichen Erfassung eines Bildes und der Verwendung durch das Koordinatenmessgerät etwa 40 Millisekunden liegen, ergibt sich somit eine Abweichung von 0,08 mm zwischen den Abständen 60 und 62. Entsprechend war man im Stand der Technik bisher bemüht, die Geschwindigkeit des Durchfahrens des Suchbereichs 38 möglichst gering zu halten, um den resultierenden Fehler möglichst gering zu halten.
4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 70.
Wie bereits voranstehend beschrieben wurde, wird zunächst in einem Schritt 72 ein erster Abstand zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 als Startabstand 34 und ein zweiter Abstand zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 als Endabstand 36 festgelegt.
Wie ebenfalls bereits voranstehend beschrieben wurde, kann dies derart vorgenommen werden, dass ein Nutzer einen erwarteten fokussierten Abstand 32 manuell einstellt und der Startabstand und der Endabstand dann jeweils in einer vorbestimmten Entfernung 59' entgegengesetzt ausgehend von diesem erweiterten fokussierten Abstand 32 festgelegt werden. Beispielsweise kann aber auch automatisch ein maximal möglicher einstellbarer Abstand zwischen dem Sensor und dem Werkstück 12 als Startabstand und ein minimal möglicher Abstand zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 als Endabstand 36 festgelegt werden.
In einem weiteren Schritt 74 wird dann der Abstand 22 zwischen dem Werkstück 12 und dem optischen Sensor 14 ausgehend von dem Startabstand 34 in Richtung des Endabstands 36 mit einer ersten Geschwindigkeit verändert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird somit der optische Sensor 14 ausgehend von dem Startabstand 34 in Richtung des Werkstücks 12 bewegt. Dabei werden kontinuierlich Bilder 48 des Werkstücks erfasst. Diese Bilder werden als ”erste Bilder” bezeichnet. Jedem ersten Bild wird ein endgültiger erster Fokuswert und ein erster Bildabstand, bei dem das erste Bild erfasst wurde, zugeordnet.
In einem Schritt 76 werden dabei während des ersten Veränderns 74 die endgültigen ersten Fokuswerte ausgewertet und das Überschreiten eines Extremwerts 56 der endgültigen ersten Fokuswerte erfasst. Die Schritte 74 und 76 laufen daher zeitgleich ab.
Eine Möglichkeit, wie der Schritt 76 im Detail ausgeführt werden kann, wird im Folgenden noch erläutert werden. In jedem Fall wird jedoch in dem Schritt 76 festgestellt, wenn ein Extremwert der Fokuswertkurve, die aus den endgültigen ersten Fokuswerten zusammengesetzt ist, überschritten wurde.
Wenn dieses Überschreiten des Extremwerts erfasst wurde, erfolgt in einem Schritt 78 ein zweites Verändern des Abstands zwischen dem Werkstück 12 und dem optischen Sensor 14 zurück in Richtung des Startabstands 34 mit einer zweiten Geschwindigkeit, die geringer als die erste Geschwindigkeit ist. Insbesondere ist davon auszugehen, dass das Überschreiten des Extremwerts erkannt wird, bevor der Endabstand 36 während des ersten Veränderns erreicht wurde. Das erste Verändern 74 findet somit nicht notwendigerweise von dem Startabstand 34 bis zu dem Endabstand 36 statt, sondern nur in Richtung des Endabstands 36.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird nunmehr der optische Sensor 14 mit einer zweiten Geschwindigkeit, die langsamer als die erste Geschwindigkeit ist, wieder weg von dem Werkstück in Richtung des Startabstands bewegt. Dabei werden während des Veränderns zweite Bilder des Werkstücks erfasst und jedem erfassten zweiten Bild ein endgültiger zweiter Fokuswert und ein entsprechender zweiter Bildabstand zugeordnet. Da das zweite Verändern mit einer zweiten Geschwindigkeit erfolgt, die deutlich langsamer als die erste Geschwindigkeit ist, ist der voranstehend erläuterte Fehler bei der Ermittlung des Abstands mit maximaler Schärfe deutlich geringer. Beispielsweise kann die erste Geschwindigkeit etwa 4,5 mm pro Sekunde und die zweite Geschwindigkeit etwa 2 mm pro Sekunde betragen.
Auf der anderen Seite muss aber mit der geringen Geschwindigkeit nicht mehr der gesamte Suchbereich 38 durchfahren werden, sondern nur ein verringerter Suchbereich, in dem während des ersten Veränderns der Extremwerte detektiert wurde. Daher kann das Verfahren insgesamt beschleunigt werden. Aufgrund der geringen zweiten Geschwindigkeit kann die Genauigkeit jedoch erhalten bleiben.
Entsprechend erfolgt in einem Schritt 80 ein Auswerten des endgültigen zweiten Fokuswerts und Ermitteln des zweiten Bildabstands, bei dem ein Extremwert der endgültigen zweiten Fokuswerte vorliegt. Jetzt kann entsprechender Extremwert der endgültigen zweiten Fokuswerte als endgültiger fokussierter Bildabstand festgelegt werden und der optische Sensor 14 in diesen Abstand bewegt werden.
Darüber hinaus ist es bereits jetzt möglich, einen Schritt 86 sowohl den Extremwert 56, der während des ersten Veränderns 74 ermittelt wurde, als auch den zweiten Bildabstand, bei dem ein Extremwert der endgültigen zweiten Fokuswerte vorliegt, wie in einem Schritt 80 ermittelt wurde, einzubeziehen. Hierzu kann vorgesehen sein, dass der erste Bildabstand des Extremwerts 56 und der Bildabstand, bei dem ein Extremwert der endgültigen zweiten Fokuswerte vorliegt, gemeldet werden. Bei dieser Ermittlung werden die Bildabstände beispielsweise mit dem Kehrwert der ersten Geschwindigkeit bzw. zweiten Geschwindigkeit gewichtet. Somit findet der Extremwert 56, der mit der ersten hohen Geschwindigkeit erfasst wurde, nur einen relativ gering gewichteten Eingang in den endgültigen fokussierten Bildabstand. Da das erste Verändern 74 und das zweite Verändern 78 in entgegengesetzte Richtungen erfolgt sind, können sich die systembedingten Fehler bezüglich des Versatzes des tatsächlichen Bildabstands, bei dem ein Bild aufgenommen wurde und des zugeordneten Bildabstands teilweise aufheben. Insofern kann es bereits so möglich sein, ohne zusätzlichen Zeitaufwand die Genauigkeit des endgültigen fokussierten Bildabstands weiter zu erhöhen.
Darüber hinaus kann aber auch vorgesehen sein, in einem Schritt 82 ein drittes Verändern des Abstands durchzuführen. Dieses dritte Verändern des Abstands erfolgt dann wiederum in derselben Richtung, in der bereits das erste Verändern erfolgt ist. Das dritte Verändern erfolgt jedoch im Wesentlichen mit derselben Geschwindigkeit, wie das zweite Verändern erfolgt ist. Eine dritte Geschwindigkeit des dritten Veränderns 82 entspricht somit im Wesentlichen der zweiten Geschwindigkeit des zweiten Veränderns 78. In einem Schritt 84 erfolgt dann ein entsprechendes Auswerten der während des dritten Veränderns 82 ermittelten dritten Fokuswerte. Erst dann wird in einen Schritt 86 übergegangen. In diesem Fall kann während des Schritts 86 ein Heranziehen der während des zweiten Veränderns 78 erfassten zweiten Fokuswerte und der während des dritten Veränderns 82 erfassten dritten Fokuswerte erfolgen, die beide mit einer relativ geringen zweiten bzw. dritten Geschwindigkeit erfasst wurden. Auch in diesem Fall erfolgt das zweite Verändern 76 und das dritte Verändern 82 in entgegengesetzte Richtung, so dass sich die systembedingten Fehler teilweise aufheben. Des Weiteren waren die Geschwindigkeit während des zweiten Veränderns 76 und des dritten Veränderns 82 gering, so dass schon allein deswegen die absolute Größe eines jeweiligen Fehlers gering ist. Auf diese Weise kann die Genauigkeit des Verfahrens 70 noch einmal deutlich erhöht werden, sofern dies notwendig ist.
5 zeigt in einer beispielhaften Darstellung den Ablauf des Verfahrens 70.
Neben dem zunächst von einem Nutzer eingegebenen erwarteten fokussierten Abstand 32 ist ein tatsächlicher fokussierter Abstand 89 dargestellt. Diesen gilt es letztendlich mittels des Verfahrens 70 möglichst genau zu bestimmen.
Wie bereits voranstehend beschrieben, wird der erwartete fokussierte Abstand 32 von einem Nutzer vorgegeben und darauf aufbauend der Startabstand 34 und der Endabstand 36 bestimmt, die sich jeweils in einer vorgegebenen Entfernung 59' in der Z-Richtung 20 ausgehend von dem erwarteten fokussierten Abstand 32 erstrecken.
Folglich wird nun mit einer ersten Geschwindigkeit v1 ausgehend von dem Startabstand 34 das erste Verändern durchgeführt. Dabei werden bereits kontinuierlich Bilder 48 erfasst, für die die jeweiligen Fokuswerte ermittelt und Abstände zugeordnet sind. Wie im Folgenden noch erläutert wird, wird ein Extremwert 56 dieser ersten Fokuswerte ermittelt, indem festgestellt wird, dass eine Anzahl von m benachbarter Fokuswerte 90 kleiner als der Extremwert 56 ist. In dem dargestellten Beispiel sind dies jeweils zwei benachbarte Fokuswerte in jede Richtung. Das erste Verändern wird dann beendet, wenn festgestellt wurde, dass der Extremwert 56 überschritten wurde. Der dann von dem optischen Sensor 14 relativ zu dem Werkstück 12 eingenommene Abstand wird als erster Zwischenabstand 92 festgesetzt. In einer vorher festgesetzten Entfernung 97 ausgehend von dem ersten Zwischenabstand 92 wird dann der zweite Zwischenabstand 94 festgesetzt. Es folgt damit einer zweiten Geschwindigkeit v2, die kleiner als die Geschwindigkeit v1 ist, ein zweites Verändern des Abstands ausgehend von dem ersten Zwischenabstand 92 zu dem zweiten Zwischenabstand 94. Auch hier werden wieder Fokuswerte der aufgenommenen Bilder ermittelt und die entsprechenden Abstände zugeordnet.
Aufgrund der ersten Geschwindigkeit während des ersten Veränderns ist der Extremwert 56 relativ zu dem tatsächlichen fokussierten Bildabstand 89 nach unten versetzt. Entsprechend ist aufgrund der umgekehrten Bewegungsrichtung ein während des zweiten Veränderns erfasster zweiter fokussierter Bildabstand 96 nach oben relativ zu dem tatsächlichen fokussierten Bildabstand 89 versetzt. Da die zweite Geschwindigkeit deutlich geringer als die erste Geschwindigkeit ist, ist jedoch der Versatz des zweiten fokussierten Bildabstands 96 gegenüber dem tatsächlichen fokussierten Bildabstand 89 deutlich geringer als die des Extremwerts 56.
Es kann nun vorgesehen sein, dass der zweite fokussierte Bildabstand 96 als endgültiger fokussierter Bildabstand übernommen wird, wenn dessen Genauigkeit aufgrund der geringen zweiten Geschwindigkeit v2 als ausreichend erachtet wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass eine Mittelung des Abstands des Extremwerts 56 und des zweiten fokussierten Bildabstands 96 vorgenommen wird, diese Mittelung kann beispielsweise gewichtet sein, insbesondere können der Extremwert 56 und der zweite fokussierte Bildabstand 96 zum Beispiel mit dem Kehrwert der ersten Geschwindigkeit bzw. der zweiten Geschwindigkeit gewichtet sein. Auf diese Weise kann ein endgültiger fokussierter Bildabstand ermittelt werden, der noch näher an dem tatsächlichen fokussierten Bildabstand 89 liegt und die Genauigkeit somit noch weiter erhöht werden, ohne jedoch die Zeitdauer, die zur Ermittlung des endgültigen fokussierten Bildabstands benötigt wird, zu verlängern.
In 6 ist ein Ausführungsbeispiel erläuternd dargestellt, mit dem eine noch höhere Genauigkeit erzielt werden kann. Gleiche Elemente sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Weiteren wird lediglich auf die Unterschiede bzw. Erweiterungen eingegangen.
Es wird nach dem zweiten Verändern noch ein drittes Verändern durchgeführt. Dabei wird der Abstand ausgehend von dem zweiten Zwischenabstand 94 zu dem ersten Zwischenabstand 92 geändert. Dies wird mit einer dritten Geschwindigkeit v3 durchgeführt, die im Wesentlichen der Geschwindigkeit v2 entspricht. ”Im Wesentlichen” ist dabei derart zu verstehen, dass grundsätzlich die Geschwindigkeit v3 dieselbe wie die Geschwindigkeit v2 sein soll. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass minimale Differenzen auftreten können.
Während des dritten Veränderns wird ein dritter Bildabstand ermittelt, bei dem ein Extremwert der während des dritten Veränderns erfassten endgültigen dritten Fokuswerte vorliegt. Dieser dritte fokussierte Bildabstand ist mit dem Bezugszeichen 98 bezeichnet. Da bei dem dritten Verändern ein Abstand zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 erneut verkleinert wird, wie dies ebenfalls bei dem ersten Verändern der Fall ist, liegt der dritte fokussierte Bildabstand 98 erneut unterhalb des tatsächlichen fokussierten Bildabstands 89. Der dritte fokussierte Bildabstand 98 wurde jedoch auch mit einer geringen Geschwindigkeit wie die zweite Geschwindigkeit ermittelt. Die Abweichung des dritten fokussierten Bildabstands 98 von dem tatsächlich fokussierten Bildabstand 89 ist somit ebenfalls sehr gering. Insofern wird bei dieser Ausführungsform vorgesehen, dass der endgültige fokussierte Bildabstand bestimmt wird, indem eine Mittelung des zweiten fokussierten Bildabstands 96 und des dritten fokussierten Bildabstands 98 vorgenommen wird. Der Extremwert 56, der während des ersten Veränderns ermittelt wurde, findet somit keinen Eingang in die Bestimmung des endgültigen fokussierten Bildabstands.
Da, wie bereits voranstehend ausgeführt wurde, die dritte Geschwindigkeit leicht von der zweiten Geschwindigkeit abweichen kann, kann bei der Mittelung des zweiten fokussierten Bildabstands 96 und des dritten fokussierten Bildabstands 96 ebenfalls eine Gewichtung der Abstände mit der zweiten bzw. dritten Geschwindigkeit vorgenommen werden. Es kann dabei vorgesehen sein, dass eine Gewichtung beispielsweise mittels der Kehrwerte der Geschwindigkeiten vorgenommen wird, d. h. ein Bildabstand, der mit einer größeren Geschwindigkeit aufgenommen wurde, so dass eine anzunehmende Abweichung von dem tatsächlichen fokussierten Bildabstand 89 größer ist, mit einem geringen Gewicht in die Mittelung eingeht.
In der 7 ist ein Diagramm 100 dargestellt, auf dessen Y-Achse 102 die im Zuge von experimentellen Messungen gefundenen endgültigen fokussierten Abstände aufgetragen sind. Auf einer X-Achse 104 sind die Vergleichsmessungen von 0 bis 90 durchnummeriert. Die Messungen 31 bis 60 wurden dabei mit einer geringen Geschwindigkeit durchgeführt, wie sie beispielsweise die zweite Geschwindigkeit oder die dritte Geschwindigkeit haben können. Zum Vergleich wurden die Messungen 1 bis 30 mit einer Geschwindigkeit durchgeführt, die um 80% größer als die Vergleichsgeschwindigkeit der Messungen 31 bis 60 ist. Zum weiteren Vergleich wurden die Messungen 61 bis 90 mit einer Geschwindigkeit durchgeführt, die um 80% geringer als die Vergleichsgeschwindigkeit der Messungen 31 bis 60 ist. Wie zu erkennen ist, ist die Streubreite der Ergebnisse bei der Vergleichsgeschwindigkeit, d. h. die Messungen 31 bis 60 relativ gering. Im Grunde bewegt sie sich etwa in einem Schwankungsbereich von 0,002 mm. Das vorliegende Verfahren mit einer Mittelung der endgültigen zweiten fokussierten Bildabstände und der endgültigen dritten fokussierten Bildabstände 98 liefert somit bereits sehr gute Ergebnisse. Eine weitere Verringerung der Geschwindigkeit bringt zwar eine weitere Verbesserung der Genauigkeit, wie den Messungen 61 bis 90 zu entnehmen ist, der Zuwachs der Genauigkeit ist jedoch gegenüber der deutlich höheren Zeitdauer für den Fokussierungsvorgang nicht signifikant. Demgegenüber weisen die Messungen 1 bis 30 mit einer um 80% höheren Geschwindigkeit, etwa wie sie beispielsweise während des ersten Veränderns vorliegen kann, eine deutlich größere Schwankungsbreite auf.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass ein Nutzer des Koordinatenmessgeräts 10 die Geschwindigkeiten für die erste Geschwindigkeit, die zweite Geschwindigkeit und/oder die dritte Geschwindigkeit vorgeben bzw. verändern kann, je nach Abhängigkeit der Genauigkeitsanforderungen.
Mittels des voranstehend beschriebenen Verfahrens kann eine gute Genauigkeit der Fokussierung beibehalten werden, die für das Verfahren benötigte Zeit kann jedoch gegenüber dem Stand der Technik etwa um 75% verringert werden.
Die 8a und 8b zeigen eine Ausführungsform, um zu verdeutlichen, wie beispielsweise die endgültigen Fokuswerte aus einem Bild bestimmt werden können. Grundsätzlich ist natürlich möglich, dass einem Bild ein Fokuswert zugeordnet wird und dieser dann den endgültigen Fokuswert bildet. Es ist aber beispielsweise auch möglich, dass in dem Fall, dass sich das von dem optischen Sensor 14 aufgenommene Bild aus einem ersten Halbbild 106 und einem zweiten Halbbild 108 zusammensetzt, die jeweils im Zeilensprungverfahren aufgenommen sind, dass zunächst ein erster Teilfokuswert für das erste Halbbild 106 bestimmt wird und dann ein zweiter Teilfokuswert für das zweite Halbbild 108 bestimmt wird. Der endgültige Fokuswert des Gesamtbildes kann dann beispielsweise die Summe aus den Teilfokuswerten sein. Es kann aber beispielsweise auch vorgesehen sein, dass der endgültige Fokuswert ein Mittelwert aus den beiden Teilfokuswerten ist. Eine mögliche Auswirkung ist in der 8b dargestellt. Mit einer Kurve 110 ist die Fokuswertkurve eines Halbbildes aufgetragen. Mit einer Kurve 112 wurde eine aus den Teilfokuswerten beider Halbbilder ermittelte Fokuswertkurve aufgetragen. Auf diese Weise kann etwa die Genauigkeit des endgültigen Fokuswerts verbessert werden. Dies kann insbesondere in den Fällen erfolgen, in denen bisher lediglich eines der Halbbilder verwendet wurde.
Die 9 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform, wie die endgültigen Fokuswerte bestimmt werden können.
Hierbei ist vorgesehen, dass ein endgültiger Fokuswert 118 nicht dem jeweiligen für das jeweilige Bild ermittelten Fokuswert 114 entspricht, sondern ein Mittelwert aus dem jeweiligen Fokuswert 114 und eine Anzahl von m benachbarten Fokuswerten 116 ist. Unter ”benachbarten Fokuswerten” werden somit diejenigen Fokuswerte verstanden, die den unmittelbar früher bzw. später aufgenommenen Bildern zugeordnet sind. Im dargestellten Beispiel gilt m = 2. Insofern wird der endgültige Fokuswert 118 als Mittelwert des Fokuswerts 114 des jeweiligen Bildes und der Fokuswert der zwei später und der zwei früher aufgenommenen Bilder 116 bestimmt.
Auf diese Weise tritt eine deutliche Glättung der Fokuswertkurve ein. Dies ist in dem Diagramm der 9 dargestellt. Eine übliche Kurve, in der der endgültige Fokuswert 118 dem mit Fokuswert 114 entspricht, ist mit der Kurve 120 aufgetragen. Ein entsprechender Extremwert, der durch Approxion der Kurve 120 mittels eines Polynoms und Auswertung des Extremwerts dieses Polynoms bestimmt wurde, ist mit 121 bezeichnet. Demgegenüber ist die durch die Mittelwertbildung geglättete Kurve 122 aufgetragen. Ein entsprechender Extremwert in dieser Kurve ist mit 123 bezeichnet.
Wie zu erkennen ist, kann das vorgeschlagene Verfahren zu einer Verschiebung des ermittelten Extremwerts führen und somit die Genauigkeit weiter erhöhen.
In der 10 ist letztlich dargestellt, wie während des ersten Verfahrens 76 festgestellt werden kann, dass ein Extremwert überschritten wurde.
Dabei wird bei einem Schritt 130 zunächst der während des ersten Veränderns 76 zuerst ermittelte erste Fokuswert als ein Vergleichswert festgesetzt.
In einem Schritt 132 wird dann für das nächste Bild während des ersten Veränderns der Fokuswert ermittelt. In einem Schritt 134 wird nun verglichen, ob der für das weitere Bild ermittelte Fokuswert extremer, in den dargestellten Ausführungsbeispielen also maximaler, als der Vergleichswert ist. Ist dies der Fall, wird in einem Schritt 136 der Fokuswert des weiteren Bildes als der neue Vergleichswert festgesetzt. In einem weiteren Schritt 138 wird dann geprüft, ob eine bestimmte Anzahl von m benachbarter Fokuswerte des Vergleichswerts ebenfalls nicht extremer als der Vergleichswert ist. Ist dies nicht der Fall, wird zunächst zum Schritt 132 zurückgekehrt und der Fokuswert des nächsten Bildes ermittelt. Ist dies jedoch der Fall, d. h. eine bestimmte Anzahl von m benachbarter Fokuswerte des Vergleichswerts ist weniger extrem als der Vergleichswert, d. h. dem dargestellten Beispiel geringer als der Vergleichswert, wird in einem Schritt 140 festgestellt, dass der Extremwert 56 überschritten wurde.

Claims

Verfahren (70) zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstands eines optischen Sensors (14) eines Koordinatenmessgeräts (10) auf ein zu vermessendes Werkstück (12), wobei der optische Sensor (14) und das Werkstück (12) in einer Z-Richtung (20) relativ zueinander bewegbar sind, so dass ein Abstand (22) in der Z-Richtung (20) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14) veränderbar ist, mit den folgenden Schritten: – Festlegen (72) eines ersten Abstands als Startabstand (34) und eines zweiten Abstands als Endabstand (36); – Erstes Verändern (74) des Abstands (22) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14) von dem Startabstand (34) in Richtung des Endabstands (36) mit einer ersten Geschwindigkeit, wobei der optische Sensor (14) während des Verändern des Abstands erste Bilder des Werkstücks (12) erfasst, und wobei jedem erfassten ersten Bild ein endgültiger erster Fokuswert und ein erster Bildabstand zugeordnet wird; gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Auswerten (76) der endgültigen ersten Fokuswerte und Erfassen eines Überschreitens eines Extremwerts (56) der endgültigen ersten Fokuswerte; – wenn ein Überschreiten des Extremwerts erfasst wurde, zweites Verändern (78) des Abstands (22) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14) zurück in Richtung des Startabstands (34) mit einer zweiten Geschwindigkeit, die geringer als die erste Geschwindigkeit ist, wobei der optische Sensor (14) während des Veränderns des Abstands zweite Bilder des Werkstücks (12) erfasst, und wobei jedem erfassten zweiten Bild ein endgültiger zweiter Fokuswert und ein zweiter Bildabstand zugeordnet wird; – Auswerten (80) der endgültigen zweiten Fokuswerte und Ermitteln des zweiten Bildabstands, bei dem ein Extremwert (96) der endgültigen zweiten Fokuswerte vorliegt, – Drittes Verändern (82) des Abstands (22) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14) in Richtung des Endabstands (36) mit einer dritten Geschwindigkeit, die im Wesentlichen der zweiten Geschwindigkeit entspricht, wobei der optische Sensor (14) während des Bewegens dritte Bilder des Werkstücks (12) erfasst, und wobei jedem erfassten dritten Bild ein endgültiger dritter Fokuswert und ein dritter Bildabstand zugeordnet wird, – Auswerten (84) der endgültigen dritten Fokuswerte und Ermitteln des dritten Bildabstands, bei dem ein Extremwert (98) der endgültigen dritten Fokuswerte vorliegt, und – Bestimmen (86) eines endgültigen fokussierten Bildabstands (89) aus dem zweiten Bildabstand, bei dem ein Extremwert (96) der endgültigen zweiten Fokuswerte vorliegt, und aus dem dritten Bildabstand, bei dem ein Extremwert (98) der endgültigen dritten Fokuswerte vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Festlegen eines Abstands, in dem während des zweiten Veränderns das Überschreiten des Extremwerts (56) erfasst wurde, als einen ersten Zwischenabstand (92), und – Festlegen eines zweiten Zwischenabstands (94) in einer vorbestimmten Entfernung relativ zu dem ersten Zwischenabstand (92), wobei das zweite Verändern (78) von dem ersten Zwischenabstand (92) bis zu dem zweiten Zwischenabstand (94) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Verändern (82) von dem zweiten Zwischenabstand (94) bis zu dem ersten Zwischenabstand (92) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerten (76, 80, 84) des ersten, des zweiten und des dritten Bildabstands, bei dem ein Extremwert (56, 96, 98) der endgültigen ersten, zweiten bzw. dritten Fokuswerte vorliegt, erfolgt, indem eine die ersten, zweiten bzw. dritten Fokuswerte verbindende Fokuswertkurve mittels eines Polynoms approximiert wird und ein Extremwert des Polynoms bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Polynom ein Polynom zweiter Ordnung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerten (76) der endgültigen ersten Fokuswerte und das Erfassen eines Überschreitens des Extremwerts (56) der endgültigen ersten Fokuswerte mittels der folgenden Schritte erfolgt: – Festsetzen (130) des zuerst ermittelten ersten Fokuswerts als Vergleichswert; – Vergleichen (134) jedes weiteren ermittelten ersten Fokuswerts mit dem Vergleichswert und Ersetzen (136) des Vergleichswerts durch den weiteren ermittelten ersten Fokuswert, wenn der weitere ermittelte erste Fokuswert extremer als der Vergleichswert ist, – Festlegen (140) des Vergleichswerts als Extremwert der endgültigen ersten Fokuswerte, wenn eine vorbestimmte Anzahl von n benachbarten ersten Fokuswerten nicht extremer als der Vergleichswert ist (138).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuordnen des ersten, des zweiten und des dritten endgültigen Fokuswerts zu jedem ersten, jedem zweiten bzw. jedem dritten Bild erfolgt, indem das jeweilige Bild in einem Zeilensprungverfahren in Form eines ersten Halbbildes (106) und eines zweiten Halbbildes (108) erfasst wird, wobei ein erster Teilfokuswert für das erste Halbbild und ein zweiter Teilfokuswert für das zweite Halbbild ermittelt wird, und der jeweilige endgültige Fokuswert (112) aus der Summe des ersten Teilfokuswerts und des zweiten Teilfokuswerts gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuordnen des ersten, des zweiten und des dritten endgültigen Fokuswerts zu jedem ersten, jedem zweiten bzw. jedem dritten Bild erfolgt, indem der jeweilige endgültige Fokuswert (118) eines jeweiligen Bildes als Mittelwert aus dem Fokuswert (114) des jeweiligen Bildes und den Fokuswerten (116) von m benachbarten Bildern gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuordnen des ersten, des zweiten und des dritten endgültigen Fokuswerts zu jedem ersten, jedem zweiten bzw. jedem dritten Bild erfolgt, indem – zunächst das jeweilige Bild in einem Zeilensprungverfahren in Form eines ersten und eines zweiten Halbbildes erfasst wird, wobei ein erster Teilfokuswert für das erste Halbbild und ein zweiter Teilfokuswert für das zweite Halbbild ermittelt wird, und ein jeweiliger Fokuswert aus der Summe des ersten Teilfokuswerts und des zweiten Teilfokuswerts gebildet wird, und – der jeweilige endgültige Fokuswert (118) eines jeweiligen Bildes als Mittelwert aus dem Fokuswert (114) des jeweiligen Bildes und den Fokuswerten (116) von m benachbarten Bildern gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entfernung (97) zwischen dem ersten Zwischenabstand (92) und dem zweiten Zwischenabstand (94) der Hälfte einer Entfernung (59) zwischen dem Startabstand (34) und dem Endabstand (36) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen (86) eines endgültigen fokussierten Bildabstands aus dem zweiten Bildabstand, bei dem ein Extremwert (96) der endgültigen zweiten Fokuswerte vorliegt, und aus dem dritten Bildabstand, bei dem ein Extremwert (98) der endgültigen dritten Fokuswerte vorliegt, erfolgt, indem der zweite Bildabstand, bei dem ein Extremwert (96) der endgültigen zweiten Fokuswerte vorliegt, und dritte Bildabstand, bei dem ein Extremwert (98) der endgültigen dritten Fokuswerte vorliegt, gemittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mittelung der zweite Bildabstand, bei dem ein Extremwert (96) der endgültigen zweiten Fokuswerte vorliegt, mit der zweiten Geschwindigkeit und der dritte Bildabstand, bei dem ein Extremwert (98) der endgültigen dritten Fokuswerte vorliegt, mit der dritten Geschwindigkeit gewichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Festlegen eines ersten Abstands als Startabstand (34) und Festlegen eines zweiten Abstands als Endabstand (36) erfolgt, indem von einem Nutzer ein erwarteter fokussierter Bildabstand (32) eingegeben wird, und der Startabstand (34) und der Endabstand (36) jeweils in einer vorbestimmten Startentfernung (59') entgegengesetzt zueinander ausgehend von dem erwarteten fokussierten Bildabstand (32) festgesetzt werden.
Koordinatenmessgerät (10) mit einem optischen Sensor (14) und einer Regelungseinrichtung (26) zur Fokussierung des optischen Sensors (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (26) zur Ausführung eines Verfahrens (70) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 eingerichtet ist.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Programmcodemittel zur Durchführung eines Verfahren (70) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist, wenn dass Computerprogramm auf einem Koordinatenmessgerät (10) ausgeführt wird.