DE102012102709A1

DE102012102709A1 - Computertomografie-Verfahren zur Bestimmung von Merkmalen an einem Messobjekt

Info

Publication number: DE102012102709A1
Application number: DE201210102709
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Werth Messtechnik GmbH
Current assignee: Werth Messtechnik GmbH
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2013-11-21

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Computertomografie-Verfahren zur dimensionellen Bestimmung von Merkmalen an einem Messobjekt, bei dem das Messobjekt in mehreren Drehstellungen mit der Strahlung einer Strahlungsquelle durchstrahlt wird und jeweils zugehörige 2D-Durchstrahlungsbilder aufgenommen werden, aus denen mittels Rekonstruktion dreidimensionale Volumeninformationen im Voxelformat (sog. Voxelvolumen) berechnet werden, wobei in diesem Voxelvolumen Daten zur lokalen Strahlabsorption enthalten sind, und wobei aus den Voxeldaten, vorzugsweise im Bereich von Materialübergängen, Oberflächenpunkte generiert werden. Um eine schnelle Rekonstruktion des Messobjekts bzw. eines interessierenden Bereichs zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass bei der Rekonstruktion Volumendaten für zumindest einen beliebig geformten ersten Teilbereich des Gesamtvolumens berechnet werden, wobei die ersten Teilbereiche in ihrer Lage durch Übergänge zwischen verschiedenen Materialien (Materialübergänge) definiert sind und/oder an diese angrenzen und/oder diese überdecken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur dimensionellen Bestimmung von Merkmalen mit Computertomografie, bei dem das Messobjekt in mehreren Drehrichtungen durchstrahlt wird und aus den dabei aufgenommenen zweidimensionalen Durchstrahlungsbildern mittels Rekonstruktion dreidimensionale Volumeninformationen berechnet werden, aus denen Oberflächenpunkte generiert werden.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Computertomografie-Verfahren zur dimensionellen Bestimmung von Merkmalen an einem Messobjekt, bei dem das Messobjekt in mehreren Drehstellungen mit der Strahlung einer Strahlungsquelle durchstrahlt wird und jeweils zugehörige 2D-Durchstrahlungsbilder aufgenommen werden, aus denen mittels Rekonstruktion dreidimensionale Volumeninformationen im Voxelformat (sog. Voxelvolumen) berechnet werden, wobei in diesem Voxelvolumen Daten zur lokalen Strahlabsorption enthalten sind, und wobei aus den Voxeldaten, vorzugsweise im Bereich von Materialübergängen, Oberflächenpunkte generiert werden.
Im Stand der Technik bekannte Verfahren zur Computertomografie zur dimensionellen Bestimmung von Merkmalen von Messobjekten haben gemeinsam, dass aus der Menge der zweidimensionalen Durchstrahlungsbilder immer eine Rekonstruktion der Volumeninformationen für das gesamte Volumen erfolgt. Hierbei wird also weder in den Durchstrahlungsbildern noch in den rekonstruierten Volumeninformationen berücksichtigt, dass letztendlich nur Oberflächenpunkte in der Nähe von Materialübergängen liegen können. Hierdurch ergibt sich der hohe Aufwand, immer das gesamte Volumen zu rekonstruieren. Dieser Aufwand ist vor allem dann sehr hoch, wenn die Anzahl der Volumenelemente (Voxel) hoch ist, also die Abmessungen der Voxel klein sind, bzw. eine hohe Auflösung vorliegt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zuvor beschriebener Art so weiterzubilden, dass die Nachteile des Stands der Technik vermieden werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass eine Rekonstruktion des Messobjekts bzw. eines interessierenden Bereichs schneller möglich ist. Auch sollen Bereiche mit hoher Auflösung rekonstruiert werden können.
Zur Lösung eines oder mehrerer Aspekte der Erfindung wird vorgeschlagen, dass bei der Rekonstruktion Volumendaten für zumindest einen beliebig geformten ersten Teilbereich des Gesamtvolumens berechnet werden, wobei die ersten Teilbereiche in ihrer Lage durch Übergänge zwischen verschiedenen Materialien (Materialübergänge) definiert sind und/oder an diese angrenzen und/oder diese überdecken.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren vorgesehen, bei dem lediglich ein oder mehrere, beliebig geformte Teilbereiche des Gesamtvolumens rekonstruiert werden. Diese Teilbereiche werden in ihrer Lage durch die Übergänge zwischen den verschiedenen Materialien, die so genannten Materialübergänge, definiert bzw. so ausgewählt, dass sie an diese angrenzen und/oder diese überdecken.
Hierdurch ist eine deutlich schnellere Rekonstruktion der interessierenden Bereiche des Messobjektes möglich, in denen Oberflächenpunkte ermittelt werden sollen.
In einem weiteren unabhängigen Aspekt der Erfindung ist es dadurch auch möglich, für die interessierenden Bereiche die Rekonstruktion mit einer möglichst hohen Auflösung, also geringen Voxelgröße, zu berechnen. Hierdurch entstehen deutlich kürzere Berechnungzeiten, als wenn das gesamte Volumen mit hoher Auflösung berechnet, also rekonstruiert, werden muss.
Zusätzlich kann selbstverständlich auch das Gesamtvolumen mit einer relativ geringen Auflösung, also hohen Voxelgröße, berechnet werden. Aus dieser relativ groben Bestimmung der Volumeninformationen lassen sich zumindest näherungsweise erste Oberflächenpunkte bestimmen. Diese können beispielsweise verwendet werden, um die Lage der Übergänge zwischen den Materialen zumindest grob zu bestimmen und damit für die Bestimmung der Teilbereiche des Gesamtvolumens, in denen dann eine Rekonstruktion mit höherer Auflösung, also geringerer Voxelgröße, durchgeführt wird.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Gesamtvolumendaten oder zumindest ein zweiter Bereich der Volumendaten mit höherer Voxelgröße berechnet werden als die geringere Voxelgröße der ersten Teilbereiche.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Materialübergänge vorab durch den Bediener und/oder ein Messprogramm festgelegt. Dies ist möglich, indem beispielsweise ein dreidimensionaler Bereich in der Umgebung der Materialübergänge festgelegt wird.
Alternativ können die Bereiche der Materialübergänge zumindest grob auch durch ein CAD-Model und/oder das Messprogramm festgelegt werden, beispielsweise entsprechend der Nominalgeometrie des Objektes. Vorzugsweise können auch hier dreidimensionale Bereiche in der Umgebung der Materialübergänge festgelegt werden.
Ebenso können die Materialübergänge durch den Bediener und/oder ein Messprogramm entsprechend grob bestimmter Oberflächenpunkte festgelegt werden. Hierbei werden vorzugsweise wiederum dreidimensionale Bereiche um die grob bestimmten Oberflächenpunkte festgelegt.
Die Festlegung der Materialübergänge durch den Bediener und/oder ein Messprogramm entsprechend der Lage von Oberflächenpunkte kann beispielsweise anhand bereits vorliegender Messergebnisse einer Messung wie Meisterteilmessung erfolgen. Vorzugsweise werden dreidimensionale Bereiche um die bereits vorliegenden Oberflächenpunkte definiert.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Materialübergänge durch eine erste Vorabrekonstruktion des gesamten Voxelvolumens mit geringer Auflösung, also höherer Voxelgröße und anschließender Berechnung der ersten groben Oberflächenpunkte festgelegt.
In den Bereichen der Materialübergänge werden jeweils Volumeninformationen durch Rekonstruktion erzeugt. Diese erfolgt also in den ersten festgelegten Teilbereichen. Diese Rekonstruktion kann entweder die erste Rekonstruktion sein oder, falls zwei Rekonstruktionen vorliegen, die zweite Rekonstruktion mit höherer Auflösung, also geringerer Voxelgröße.
Die durch die Materialübergänge bestimmten Bereiche werden jeweils zur Bestimmung von Oberflächenpunkte verwenden. Hierzu werden die in diesen Bereichen ermittelten Volumendaten verwendet.
Liegt eine erste Rekonstruktion mit geringerer Auflösung, also höherer Voxelgröße vor, so kann in einem besonderen Aspekt der Erfindung mittels einer zweiten Rekonstruktion die Voxelgröße, vorzugsweise im Bereich der Materialübergänge, verringert, also die Auflösung erhöht werden. Hierbei wird die Voxelgröße der ersten Rekonstruktion bzw. Vorabrekonstruktion unterteilt, allgemein in N × N Teilvoxel (mit N > 1). Beispielsweise werden also die größeren Voxel in 2 × 2 oder 3 × 3 oder 4 × 4 oder 8 × 8 oder 9 × 9 oder 16 × 16 oder 32 × 32 usw. Voxel unterteilt, um die höhere Auflösung, also geringere Voxelgröße, zu erzielen.
Liegt eine zweite Rekonstruktion vor, so werden in den Bereichen der Materialübergänge die Oberflächenpunkte nach der zweiten Rekonstruktion neu berechnet. Dieses Verfahren kann alternativ auch iterativ angewendet werden. Aus den nun mit höherer Genauigkeit berechneten Oberflächenpunkte lässt sich wiederum die Lage der Materialübergänge nun etwas genauer bestimmen, wobei diese für eine erneute dritte oder auch vierte usw. Rekonstruktion verwendet werden können, indem anhand dieser genauer bestimmten Oberflächenpunkte wiederum die Lage der Materialübergänge neu definiert wird.
Die Erfindung zeichnet sich folglich auch dadurch aus, dass unter Verwendung der Voxel geringerer Größe in den Bereichen der Materialübergänge die Oberflächenpunkte neu berechnet werden und/oder unter Verwendung der Voxel geringerer Größe die Lage der Materialübergänge iterativ neu bestimmt und für eine erneute zweite Rekonstruktion verwendet wird.
Das vorliegende Verfahren wird bevorzugt in einem Koordinatenmessgerät eingesetzt.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Computer-Tomographieverfahren zur dimensionellen Bestimmung von Merkmalen an einem Messobjekt oder an einem Bereich von diesem, bei dem das Messobjekt oder der Bereich von diesem in mehreren Drehstellungen von Strahlung einer Strahlungsquelle durchstrahlt wird und jeweils zugehörige 2D-Durchstrahlungsbilder aufgenommen werden, aus denen mittels Rekonstruktion dreidimensionale Volumeninformationen in Voxelformat (Voxelvolumen) berechnet werden, wobei in den Voxelvolumen Daten zur lokalen Strahlabsorption enthalten sind und wobei aus den Voxelvolumendaten Oberflächenpunkte generiert werden, und zeichnet sich dadurch aus, dass im Wesentlichen ausschließlich ein Teilbereich oder mehrere Teilbereiche des Messobjekts oder des Bereichs von diesem rekonstruiert werden, wobei der zumindest eine Teilbereich in seiner Lage durch einen Übergang zwischen verschiedenen Materialien definiert und/oder so ausgewählt wird, dass der zumindest eine Teilbereich an dem Übergang angrenzt und/oder diesen überdeckt, oder dass bei Rekonstruktionen des Messobjekts oder des Bereichs von diesem ein Teilbereich oder mehrere Teilbereiche des Messobjekts oder des Bereichs von diesen mit einer höheren Auflösung als Restbereich rekonstruiert werden, wobei der zumindest eine Teilbereich in seiner Lage durch einen Übergang zwischen verschiedenen Materialien definiert und/oder so ausgewählt wird, dass der zumindest eine Teilbereich an dem Übergang angrenzt und/oder diesen überdeckt.
Weiterbildungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2–12 und zuvor erfolgten Erläuterungen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmale – für sich und/oder in Kombination – sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
Anhand der einzigen Figur ist erkennbar, wie die Geometrie eines Messobjektes 1 bestimmt wird. Dieses ist hier zweidimensional dargestellt. Das Verfahren bezieht sich jedoch auf das dreidimensionale Volumen. Hierzu werden Oberflächenpunkte 2 (mit „x” gekennzeichnet) auf der Oberfläche des Messobjektes 1, also an den Materialübergängen zwischen Material des Messobjektes 1 und der umgebenden, oder eingeschlossenen Luft, bzw. zwischen verschiedenen Materialien, soweit vorhanden, bestimmt.
Zur Bestimmung der Oberflächenpunkte 2 wird lediglich ein Teilbereich 6 des Gesamtvolumens 3 mit der für hohe Genauigkeiten notwendigen Voxelauflösung rekonstruiert. Der Teilbereich befindet sich in der Figur zwischen den gestrichelt dargestellten Begrenzungslinien 4 und 5 und schließt die Oberfläche des Messobjekts 1 ein.
Um den Teilbereich 6 zu bestimmen, bestehen erfindungsgemäß mehrere Möglichkeiten. In der Figur ist der Teilbereich 6 als dreidimensionaler Bereich in der Umgebung der zu erwartenden Materialübergänge festgelegt. Die Materialübergänge sind dabei durch zumindest grob bestimmte Oberflächenpunkte 7 (mit „o” gekennzeichnet) definiert. Diese Oberflächenpunkte 7 können durch mehrere Verfahren bestimmt werden.
In einem ersten erfindungsgemäßen Verfahren werden die grob bestimmten Oberflächenpunkte 7 durch ein vorab bekanntes CAD-Modell 8 des Messobjektes definiert.
In einem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren werden die grob bestimmten Oberflächenpunkte 7 durch eine bereits erfolgte Messung eines ähnlichen Messobjektes wie Meisterteils definiert.
In einem dritten erfindungsgemäßen Verfahren werden die grob bestimmten Oberflächenpunkte 7 durch eine Vorabrekonstruktion des das gesamte Messobjekt einschließenden Gesamtvolumens 3 definiert. Bei der Vorabrekonstruktion wird das Gesamtvolumen mit geringerer Auflösung, also höherer Voxelgröße, von z. B. 500 μm bis 100 μm Kantenlänge, vollständig und schnell berechnet. Aus dem Ergebnis, also den Voxeln höherer Größe, werden mittels bekannter Schwellwertverfahren die grob bestimmten Oberflächenpunkte 7 ermittelt. Der um die Oberflächenpunkte 7 festgelegte Teilbereich 6 wird anschließend mit höherer Auflösung, also geringerer Voxelgröße, von z. B. 50 μm bis 1 μm Kantenlänge, erneut rekonstruiert und aus den dabei entstehenden Volumeninformationen die nun genauer bestimmten Oberflächenpunkte 2, wiederum durch Schwellwertverfahren berechnet. Dieses Vorgehen kann auch iterativ erfolgen, um die Auflösung weiter zu steigern und die Teilbereiche zunehmend zu verkleinern, damit die Zeit für die schrittweise höher aufgelöste Rekonstruktion kurz bleibt.

Claims

Computertomografie-Verfahren zur dimensionellen Bestimmung von Merkmalen an einem Messobjekt, bei dem das Messobjekt in mehreren Drehstellungen mit der Strahlung einer Strahlungsquelle durchstrahlt wird und jeweils zugehörige 2D-Durchstrahlungsbilder aufgenommen werden, aus denen mittels Rekonstruktion dreidimensionale Volumeninformationen im Voxelformat (sog. Voxelvolumen) berechnet werden, wobei in diesem Voxelvolumen Daten zur lokalen Strahlabsorption enthalten sind, und wobei aus den Voxeldaten, vorzugsweise im Bereich von Materialübergängen, Oberflächenpunkte generiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Rekonstruktion Volumendaten für zumindest einen beliebig geformten ersten Teilbereich des Gesamtvolumens berechnet werden, wobei die ersten Teilbereiche in ihrer Lage durch Übergänge zwischen verschiedenen Materialien (Materialübergänge) definiert sind und/oder an diese angrenzen und/oder diese überdecken.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtvolumendaten oder zumindest ein zweiter Bereich der Volumendaten mit höherer Voxelgröße berechnet werden als die geringere Voxelgröße der ersten Teilbereiche.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialübergänge durch den Bediener und/oder ein Messprogramm festgelegt werden, vorzugsweise durch Festlegung dreidimensionaler Bereiche in der Umgebung der Materialübergänge.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialübergänge durch ein CAD-Modell und/oder ein Messprogramm, entsprechend der Nominal-Geometrie des Objektes festgelegt werden, vorzugsweise durch Festlegung dreidimensionaler Bereiche in der Umgebung der Materialübergänge.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialübergänge durch den Bediener und/oder ein Messprogramm entsprechend grob bestimmter Oberflächenpunkte festgelegt werden, vorzugsweise durch Festlegung dreidimensionaler Bereiche um die grob bestimmten Oberflächenpunkte.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialübergänge durch den Bediener und/oder ein Messprogramm entsprechend der Lage von Oberflächenpunkten aus einer bereits vorliegenden Messung, vorzugsweise Meisterteilmessung, festgelegt werden, vorzugsweise durch Festlegung dreidimensionaler Bereiche um die bereits vorliegenden Oberflächenpunkte.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialübergänge durch eine Vorabrekonstruktion des gesamten Volxelvolumens mit der höheren Voxelgröße und anschließender Berechnung erster grober Oberflächenpunkte bestimmt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Bereichen der Materialübergänge, die Volumeninformationen durch Rekonstruktion der ersten Teilbereiche erzeugt werden, gegebenenfalls durch zweite Rekonstruktion mit geringerer Voxelgröße.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche der Materialübergänge zur Bestimmung von Oberflächenpunkten verwendet werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Bereichen der Materialübergänge durch die zweite Rekonstruktion die Voxel der Vorabrekonstruktion in N × N, mit N > 1, Voxel unterteilt werden, um die geringere Voxelgröße zu erzielen.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung der Voxel geringerer Größe in den Bereichen der Materialübergänge die Oberflächenpunkte neu berechnet werden und/oder unter Verwendung der Voxel geringerer Größe die Lage der Materialübergänge iterativ neu bestimmt und für eine erneute zweite Rekonstruktion verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einem Koordinatenmessgerät eingesetzt wird.
Computer-Tomographieverfahren zur dimensionellen Bestimmung von Merkmalen an einem Messobjekt oder an einem Bereich von diesem, bei dem das Messobjekt oder der Bereich von diesem in mehreren Drehstellungen von Strahlung einer Strahlungsquelle durchstrahlt wird und jeweils zugehörige 2D-Durchstrahlungsbilder aufgenommen werden, aus denen mittels Rekonstruktion dreidimensionale Volumeninformationen in Voxelformat (Voxelvolumen) berechnet werden, wobei in den Voxelvolumen Daten zur lokalen Strahlabsorption enthalten sind und wobei aus den Voxelvolumendaten Oberflächenpunkte generiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen ausschließlich ein Teilbereich oder mehrere Teilbereiche des Messobjekts oder des Bereichs von diesem rekonstruiert werden, wobei der zumindest eine Teilbereich in seiner Lage durch einen Übergang zwischen verschiedenen Materialien definiert und/oder so ausgewählt wird, dass der zumindest eine Teilbereich an dem Übergang angrenzt und/oder diesen überdeckt, oder dass bei Rekonstruktionen des Messobjekts oder des Bereichs von diesem ein Teilbereich oder mehrere Teilbereiche des Messobjekts oder des Bereichs von diesen mit einer höheren Auflösung als Restbereich rekonstruiert werden, wobei der zumindest eine Teilbereich in seiner Lage durch einen Übergang zwischen verschiedenen Materialien definiert und/oder so ausgewählt wird, dass der zumindest eine Teilbereich an dem Übergang angrenzt und/oder diesen überdeckt.