DE102013209770B4

DE102013209770B4 - Verfahren zur Bestimmung von einstellbaren Parametern mehrerer Koordinatenmessgeräte sowie Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung mindestens eines virtuellen Abbilds eines Messobjekts

Info

Publication number: DE102013209770B4
Application number: DE102013209770.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Engel; Stephan Rieger
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2013-05-27
Publication date: 2015-02-05
Anticipated expiration: 2033-05-28
Also published as: DE102013209770A1; US20160110873A1; WO2014191350A1; US9721345B2; CN105247595A; JP6054576B2; JP2016527475A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung mindestens eines virtuellen Abbilds (vA) eines Messobjekts, wobei eine virtuelle Lage und/oder virtuelle Orientierung des Messobjekts bestimmt wird, wobei eine virtuelle Lage und/oder virtuelle Orientierung mindestens einer Bilderfassungseinrichtung des Koordinatenmessgeräts bestimmt wird, wobei das virtuelle Abbild (vA) in Abhängigkeit von Geometriedaten des Messobjekts und in Abhängigkeit von optischen Eigenschaften des Messobjekts erzeugt wird, wobei das virtuelle Abbild (vA) zusätzlich in Abhängigkeit von Abbildungsparametern (uAE, vAE) der Bilderfassungseinrichtung erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von einstellbaren Parametern mehrerer Koordinatenmessgeräte sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung mindestens eines virtuellen Abbilds eines Messobjekts, welches durch ein Koordinatenmessgerät vermessen werden soll.
Es sind Koordinatenmessgeräte bekannt, die Messobjekte, z. B. zu vermessende Werkstücke, optisch vermessen. Hierzu umfassen derartige Koordinatenmessgeräte mindestens eine Bilderfassungseinrichtung, mittels derer ein Abbild des Messobjekts erzeugt werden kann, wobei z. B. geometrische Abmaße auf Grundlage des Abbilds bestimmt werden.
So beschreibt die DE 202 21 476 U1 ein optisches Präzisionsmessgerät, welches wenigstens eine Bildaufnahmevorrichtung und eine zugeordnete Bildverarbeitungsvorrichtung umfasst. Die Druckschrift beschreibt, dass zur Maximierung einer Detektionssicherheit bei einer Detektion von Kanten und einer Minimierung einer Positionsabweichung bei der Bestimmung der Position einer Kante Bildinformationen über synthetische Erzeugung von Bildszenen durch Simulation gewonnen werden können. Dazu können Kenntnisse über die Reflexions- und Transmissionseigenschaften der Materialien, die Art des Kantenübergangs und die Beleuchtungsverhältnisse erforderlich sein. Über Methoden der Computersimulation können Bildinformationen simuliert werden.
Die DE 10 2010 000 473 A1 beschreibt ein Verfahren zur Korrektur von Projektionsdaten für eine CT-Rekonstruktion unter Verwendung eines CT-Detektors mit Pixeln. Hierin kann ein Werkstück mittels einer CT-Messung vermessen werden. Die Druckschrift offenbart, dass aus Werkstückdaten mit Hilfe von Simulation der Abbildung, vorzugsweise durch Simulation der Strahlschwächung, der Streuung und/oder der Detektorempfindlichkeit, die notwendige Strahlenergien für die jeweiligen Drehstellungen ermittelt werden, damit die Durchstrahlungsbilder einen auswertbaren Kontrast erhalten.
Die DE 103 27 019 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung einer Abbildungsgüte eines optischen Abbildungssystems. Hierbei dienen so genannten Zernike-Koeffizienten zur Beschreibung einer Abbildungsgüte.
Die DE 10 2009 034 244 A1 offenbart ein Verfahren zur Vermessung eines Merkmals eines Bauteils, mit den Schritten:

a) Einrichten einer Messsituation mit einer Erfassungseinrichtung und dem Bauteil; und
b) Vermessen des Merkmals mit der Erfassungseinrichtung; gekennzeichnet durch die Schritte:
c) Einrichten einer virtuellen Messsituation mit einem virtuellen Modell der Erfassungseinrichtung und einem virtuellen Modell des Merkmals; und
d) virtuelles Vermessen des Merkmalmodells mit dem Erfassungseinrichtungsmodell.

Die DE 202 21 476 U1 offenbart ein optisches Präzisionsmessgerät umfassend wenigstens eine Bildaufnahmevorrichtung und eine zugeordnete Bildverarbeitungsvorrichtung, die zur Optimierung der Zielgrößen eines Messablaufs aus Bildinformationen eines zu vermessenden Werkstückes Hilfsparameter gewinnt und aus diesen Hilfsparametern Steuerinformationen für Einflussgrößen dieser Zielgrößen abgeleitet, wobei die Steuerinformationen in der Bildverarbeitungsvorrichtung wie folgt abgeleitet werden:

– Bestimmung der Verläufe der Hilfsparameter in Abhängigkeit von wenigstens einer Einflussgröße, wobei die Verläufe der Hilfsparameter so bestimmt werden, dass die Verläufe ein gleichartiges Extremum der funktionalen Abhängigkeit von der Einflussgröße besitzen,
– Bestimmung eines Gesamtverlaufes der Hilfsparameter in Abhängigkeit von der Einflussgröße durch gewichtete Summation der Verläufe der Hilfsparameter,
– Bestimmung eines Extremums des Gesamtverlaufes der Hilfsparameter,
– Ermittlung des zugehörigen Wertes der Einflussgröße am Ort des bestimmten Extremums als Steuerinformation für die Einflussgröße.

Für eine gewünschte Vermessung, insbesondere eine vollständige Vermessung, eines Messobjekts durch ein Koordinatenmessgerät werden in der Regel mehr oder weniger komplexe Prüfpläne angelegt. Diese beinhalten z. B. Informationen über eine Bahn, entlang derer sich z. B. eine taktiler oder optischer Sensor des Koordinatenmessgeräts während der Vermessung relativ zum Messobjekt bewegen soll.
Bei der optischen Vermessung können derartige Prüfpläne in der Regel nur dann erstellt werden, wenn die Bilderfassungseinrichtung des Koordinatenmessgeräts gleichzeitig betrieben wird, da nur auf Grundlage der erzeugten Abbilder über die Qualität eines Prüfplans entschieden werden kann.
Auch bei Schulungen zum Betrieb eines derartigen Koordinatenmessgeräts ist es in der Regel erforderlich, die Bilderfassungseinrichtung zu betreiben, da nur auf Grundlage der erzeugten Abbilder ein gewünschter Schulungseffekt erzielt werden kann. Hierbei ergibt sich jedoch nachteilig, dass unter diesen Umständen jeweils nur eine Person in der Benutzung eines Koordinatenmessgeräts geschult werden kann oder mehrere Personen an einem Koordinatenmessgerät geschult werden müssen.
Es stellt sich daher das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglichen, Prozesse, die auf Abbildern einer Bilderfassungseinrichtung eines Koordinatenmessgeräts basieren, auch ohne Betrieb der Bilderfassungseinrichtung durchzuführen, wobei die Prozesse möglichst wenig in ihrer Qualität beeinträchtigt werden.
Es ist eine Grundidee der Erfindung, ein von der Bilderfassungseinrichtung eines Koordinatenmessgeräts erzeugtes Abbild möglichst realistisch zu simulieren. Bei der Simulation sollen hierbei insbesondere Abbildungseigenschaften der Bilderfassungseinrichtung und der ihr zugeordneten optischen Elemente, optische Eigenschaften des Werkstücks sowie Beleuchtungsverhältnisse möglichst realitätsnah berücksichtigt werden.
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Erzeugung mindestens eines virtuellen Abbilds eines Messobjekts, wobei das Verfahren zur Bestimmung von optimalen einstellbaren Parametern mehrerer Koordinatenmessgeräte dient. Das Messobjekt bezeichnet hierbei ein durch ein Koordinatenmessgerät zu vermessendes, insbesondere optisch zu vermessendes, Messobjekt. Das virtuelle Abbild simuliert hierbei ein reales, durch mindestens eine Bilderfassungseinrichtung des Koordinatenmessgeräts von einem Messobjekt, welches durch das Koordinatenmessgerät vermessen werden soll, erzeugtes Abbild.
Hierbei wird eine virtuelle Lage und/oder virtuelle Orientierung des Messobjekts bestimmt. Die virtuelle Lage und/oder Orientierung kann hierbei in einem virtuellen Referenzkoordinatensystem bestimmt werden. Die virtuelle Lage und/oder Orientierung kann insbesondere in Abhängigkeit von einer tatsächlichen Lage und/oder Orientierung des Messobjekts bei einer tatsächlichen Vermessung bestimmt werden. Die tatsächliche Lage und/oder Orientierung kann hierbei in einem realen Referenzkoordinatensystem bestimmt werden, beispielsweise in einem Maschinenkoordinatensystem. In diesem Fall kann die virtuelle Lage und/oder Orientierung durch eine Transformation der tatsächlichen Lage und/oder Orientierung in das virtuelle Referenzkoordinatensystem bestimmt werden.
Weiter wird eine virtuelle Lage und/oder virtuelle Orientierung mindestens einer Bilderfassungseinrichtung des Koordinatenmessgeräts bestimmt. Auch dies kann bezogen auf das virtuelle Referenzkoordinatensystem erfolgen. Die virtuelle Lage und/oder Orientierung der Bilderfassungseinrichtung kann insbesondere in Abhängigkeit von einer tatsächlichen Lage und/oder Orientierung der Bilderfassungseinrichtung bei einer tatsächlichen Vermessung bestimmt werden.
Das virtuelle Referenzkoordinatensystem kann beispielsweise ein, bezogen auf die Bilderfassungseinrichtung, ortsfestes Koordinatensystem sein.
Weiter wird das virtuelle Abbild in Abhängigkeit von Geometriedaten des Messobjekts und in Abhängigkeit von optischen Eigenschaften des Messobjekts erzeugt. Hierbei wird das virtuelle Abbild auch in Abhängigkeit der vorhergehend erläuterten virtuellen Lagen und/oder Orientierungen bestimmt.
Geometriedaten des Messobjekts können beispielsweise aus CAD-Daten (Computer-Aided-Design-Daten) bestimmt werden. In Abhängigkeit der Geometriedaten kann z. B. eine räumliche Ausbildung, insbesondere eine Anordnung, eine Topographie und/oder ein Verlauf einer Oberfläche oder mehrerer Bereiche der Oberfläche des Messobjekts bestimmt werden. Die Geometriedaten erlauben somit eine Beschreibung und Darstellung des Messobjekts in dem virtuellen Referenzkoordinatensystem.
Optische Eigenschaften des Messobjekts bezeichnen hierbei Eigenschaften des Messobjekts, die elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, weiter insbesondere Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich, beeinflussen. Die optischen Eigenschaften umfassen beispielsweise und nicht abschließend eine Transparenz, Reflexionseigenschaften, Streueigenschaften, Beugungseigenschaften, Transmissionseigenschaften, Brechungseigenschaften, Polarisationseigenschaften, eine Textur und/oder weitere Eigenschaften, die eine Wechselwirkung des Messobjekt mit Licht beeinflussen. Die optischen Eigenschaften erlauben somit eine Beschreibung, wie das Messobjekt zur Bilderzeugung nutzbare Strahlung abstrahlt. In anderen Worten kann somit eine Beschreibung des Messobjekts in Form eines radiometrischen Quellenmodells erfolgen. Das Quellenmodell kann hierbei auch eine Beschreibung einer Beleuchtung des Messobjekts umfassen, z. B. in Abhängigkeit der nachfolgend noch näher erläuterten Lage und/oder Orientierung und/oder Emissionsparameter mindestens einer Lichtquelle. In diesem Fall kombiniert das Quellenmodell die optischen Eigenschaften des Messobjekts sowie die Beleuchtungseigenschaften. Somit kann die unter bestimmten Beleuchtungseigenschaften resultierende Abstrahlcharakteristik durch das Beleuchtungsmodell simuliert werden.
Es ist möglich, die optischen Eigenschaften in Abhängigkeit von Materialeigenschaften des Messobjekts zu bestimmen. Materialeigenschaften umfassen hierbei beispielsweise und wiederum nicht abschließend eine Oberflächengüte, eine Rauheit, eine Farbe, ein Glanzgrad, eine Dichte, ein Anteil und/oder eine Verteilung eines Elements in einer Materialzusammensetzung, Struktureigenschaften und/oder weitere Materialeigenschaften, die das mit dem Licht wechselwirkende Material und dessen Aufbau beschreiben.
Weiter ist es möglich, die optischen Eigenschaften in Abhängigkeit der vorhergehend erläuterten geometrischen Eigenschaften zu bestimmen. Beispielsweise können optische Eigenschaften in Abhängigkeit einer Topografie einer Oberfläche des Messobjekts bestimmt werden.
Die vorhergehend erläuterten optischen Eigenschaften, Materialeigenschaften und geometrischen Eigenschaften können insbesondere für die Bereiche oder Abschnitte des Messobjekts bestimmt werden, die bei einer optischen Vermessung mit Licht in Wechselwirkung treten, insbesondere für eine Oberfläche oder Teilbereiche einer Oberfläche des Messobjekts.
Selbstverständlich ist es auch möglich, das virtuelle Abbild in Abhängigkeit von optischen Eigenschaften einer Messumgebung zu erzeugen. Diese optischen Eigenschaften entsprechen den vorhergehend zum Messobjekt angeführten optischen Eigenschaften und beziehen sich auf eine Umgebung des Messobjekts. Hierdurch kann z. B. berücksichtigt werden, ob in einer Messumgebung Nebel vorhanden ist.
Weiter wird das virtuelle Bild zusätzlich in Abhängigkeit von Abbildungsparametern der Bilderfassungseinrichtung erzeugt. Abbildungsparameter beschreiben, wie ein in einem Erfassungsbereich der Bilderfassungseinrichtung angeordnetes Objekt in Abhängigkeit seiner räumliche Lage und/oder Orientierung abgebildet wird, z. B. auf einen Bildsensor abgebildet wird. Dies kann auch, wie nachfolgend noch näher erläutert, die Erzeugung elektrischer Signale, die das Abbild repräsentieren, umfassen. Abbildungsparameter umfassen hierbei beispielsweise und nicht abschließend eine Apertur, eine Vergrößerung oder Verkleinerung, ein Seitenverhältnis, ein Projektionsmodus, einen Öffnungswinkel, optische Eigenschaften der Bilderfassungseinrichtung wie z. B. Beugungs-, Streu-, Brechungs- und Polarisationseigenschaften, eine Brennweite, eine Güte der Entspiegelung, Verzeichnungseigenschaften, eine Auflösung eines Bildsensors, Umwandlungseigenschaften des Bildsensors bezüglich der Umwandlung von Licht in elektrische Signale (Sensorparameter) und weitere Eigenschaften, die die Erzeugung von elektrischen und das Abbild repräsentierenden Signalen durch die Bilderfassungseinrichtung beschreiben. In Abhängigkeit von Abbildungsparametern können auch Effekte wie z. B. Linsenreflexionen, Verzerrungen, eine Schärfentiefe, eine chromatische Abberation, eine aspherische Linsenbrechung und so genannte Bokeh-Effekte beschrieben werden, die bei der Abbildung auftreten.
Der Begriff Bilderfassungseinrichtung kann hierbei auch optische Elemente zur Abbildung, beispielsweise Linsen, Objektive, Spiegel und weitere optische Elemente zur Strahlführung, die bei Erzeugung des Abbilds durch die Bilderfassungseinrichtung beteiligt sind, umfassen. Somit umfassen die Abbildungsparameter auch die Abbildungsparameter der optischen Elemente, insbesondere Abbildungsfehler eines Objektivs.
Abbildungsparameter können beispielsweise durch so genannte Zernike-Koeffizienten und/oder durch eine Point-Spread-Funktion beschrieben werden. Zernike-Koeffizienten bezeichnen hierbei Koeffizienten einer Potenzreihenfunktion zur Beschreibung von Abbildungsfehlern in Bilderfassungseinrichtungen bezogen auf eine Messachse, die z. B. eine optische Achse der Bilderfassungseinrichtung sein kann. Solche Zernike-Koeffizienten sind in der DE 103 27 019 A1 als Kennzahlen zur Beschreibung einer Abbildungsgüte beschrieben. Auch können Abbildungsparameter wellenlängenabhängig sein, wobei Abbildungsparameter wellenabhängig bestimmt werden.
In Abhängigkeit der vorhergehend erläuterten virtuellen Lagen und/oder Orientierungen des Messobjekts und der Bilderfassungseinrichtung kann dann eine virtuelle Lage und/oder Orientierung des Messobjekts im Erfassungsbereich der Bilderfassungseinrichtung bestimmt werden. Somit kann auch ein Arbeitsabstand vom Messobjekt zur Bilderfassungseinrichtung bzw. zu einem optischen Element der Bilderfassungseinrichtung bestimmt werden. Auch können ein Blickwinkel und ein Verlauf einer optischen Achse relativ zum Messobjekt bestimmt werden.
Erfindungsgemäß wird das virtuelle Abbild mit normierten einstellbaren Parametern erzeugt, wobei in Abhängigkeit der normierten Parameter für jedes von mehreren Koordinatenmessgeräten korrespondierende Parameter bestimmt werden können, die zur tatsächlichen Vermessung eingestellt werden.
Das vorgeschlagene Verfahren erlaubt in vorteilhafter Weise die Erzeugung eines virtuellen Abbilds, welches möglichst genau dem tatsächlich erzeugten Abbild entspricht. Das virtuelle Abbild kann hierbei in Form von elektrischen Signalen, z. B. in Form von Bits, erzeugt werden, wobei die elektrischen Signale möglichst wenig von elektrischen Signalen abweichen, die bei der Erzeugung eines tatsächlichen Abbilds erzeugt werden.
Beispielsweise kann das virtuelle Abbild derart erzeugt werden, dass eine Differenz zwischen Amplituden und/oder einer Verteilung der elektrischen Signale, die das virtuelle Abbild repräsentieren, und Amplituden und/oder einer Verteilung der elektrischen Signale, die das korrespondierende tatsächliche Abbild repräsentieren, kleiner als ein vorbestimmtes Maß ist. Beispielsweise können die vorhergehend erläuterten optischen Eigenschaften, Materialeigenschaften und Abbildungsparameter derart bestimmt werden, dass, z. B. für ein oder mehrere Referenzbilder, die vorhergehend erläuterte Differenz kleiner als das vorbestimmte Maß ist. Die elektrischen Signale können hierbei wie bei tatsächlich erzeugten Abbildern Grauwerte von Grauwertbildern oder Farbwerte von Farbbildern codieren oder repräsentieren.
Die Erzeugung von virtuellen Abbildern, die möglichst genau den korrespondierenden tatsächlich erzeugten Abbildern entsprechen, erlaubt in vorteilhafter Weise, dass Anwendungen, die in Abhängigkeit von Abbildern der Bilderfassungseinrichtung durchgeführt werden, auch ohne tatsächliche Erzeugung und somit ohne tatsächlichen Betrieb der Bilderfassungseinrichtung durchgeführt werden können. Beispielsweise kann ein Prüfplan auch ohne tatsächlichen Betrieb der Bilderfassungseinrichtung erstellt und getestet werden. Dies wiederum ermöglicht einen verbesserten Betrieb des Koordinatenmessgeräts, da Anwendungen, z. B. die vorhergehend erwähnten Prüfpläne, vor dem Betrieb, also offline, getestet und optimiert werden können. Beispielsweise können auch Methoden der Bildverarbeitung, die zur Bestimmung von geometrischen Maßen des Messobjekts verwendet werden, beispielsweise Verfahren zur Kantendetektion, in Abhängigkeit von virtuellen Abbildern getestet und optimiert werden. Gemäß den derart optimierten Prüfplänen kann dann eine tatsächliche Vermessung erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine virtuelle Lage und/oder virtuelle Orientierung mindestens einer Lichtquelle bestimmt, wobei das virtuelle Abbild zusätzlich in Abhängigkeit von Emissionsparametern der Lichtquelle bestimmt wird. Auch kann das virtuelle Abbild in Abhängigkeit der virtuellen Lage und/oder Orientierung der mindestens einen Lichtquelle bestimmt werden.
Während eines tatsächlichen Messvorgangs ist die Abbildung auch abhängig von herrschenden Beleuchtungsverhältnissen. Durch die Bestimmung der virtuellen Lage und/oder Orientierung, beispielsweise im vorhergehend erläuterten virtuellen Referenzkoordinatensystem, kann auch die virtuelle Lage und/oder Orientierung der Beleuchtungsquelle relativ zum Messobjekt und zur Bilderfassungseinrichtung bestimmt werden. Wie nachfolgend noch näher erläutert, ist es auch möglich, eine virtuelle Lage und/oder Orientierung der Beleuchtungsquelle relativ zum Messobjekt zu optimieren.
Es ist möglich, dass eine virtuelle Lage und/oder Orientierung der Lichtquelle der virtuellen Lage und/oder Orientierung der Bilderfassungseinrichtung entspricht oder in Abhängigkeit dieser bestimmt werden kann, insbesondere wenn die tatsächliche Lichtquelle ortsfest relativ zur Bilderfassungseinrichtung angeordnet ist. Zum Beispiel kann die Lichtquelle mechanisch starr mit der Bilderfassungseinrichtung verbunden sein und mit dieser eine bauliche Einheit ausbilden.
Emissionsparameter der Lichtquelle beschreiben die Ausstrahlung von Licht durch die Lichtquelle. Emissionsparameter umfassen zum Beispiel und nicht abschließend eine Intensität, eine Wellenlänge oder eine spektrale Verteilung des emittierten Lichts, eine räumliche Verteilung des emittierten Lichts, eine Polarisation und eine (Haupt-)Strahlrichtung des emittierten Lichts und/oder weitere Emissionsparameter.
Für ein Koordinatenmessgerät ist die Anzahl der tatsächlich vorhandenen Lichtquellen vorbekannt. Ebenfalls sind die Lage und/oder Orientierung der tatsächlich vorhandenen Lichtquellen, z. B. relativ zur Bilderfassungseinrichtung, sowie deren Emissionsparameter vorbekannt. Die Emissionsparameter können auch z. B. durch einen Benutzer, halbautomatisch oder vollautomatisch einstellbare Parameter sein. Daher kann die virtuelle Lage und/oder Orientierung sowie die Emissionsparameter aus diesen vorbekannten Informationen bestimmt werden.
Beispielsweise kann eine solche Lichtquelle als so genanntes Ringlicht mit mehreren Teillichtquellen ausgebildet sein, welches zumindest einen Teil der Bilderfassungseinrichtung, z. B. ein Objektiv, räumlich umfasst. Für ein solches Ringlicht kann eine Aufteilung oder Segmentierung der einzelnen Teillichtquellen vorbekannt sein. Dies erlaubt folglich auch die Bestimmung einer Einstrahlrichtung des Ringlichts.
In Abhängigkeit der Emissionsparameter kann in vorteilhafter Weise die Qualität der Erzeugung des virtuellen Abbilds weiter verbessert werden. Insbesondere können in Abhängigkeit der Lage und/oder Orientierung sowie der Emissionsparameter so genannte Ray-Tracing-Verfahren angewendet werden. Durch diese Ray-Tracing-Verfahren wird ein räumlicher Verlauf eines Lichtstrahls und dessen Eigenschaften entlang des räumlichen Verlaufs rechnerisch bestimmt, wobei der Lichtstrahl vom Messobjekt bzw. von der Lichtquelle über das Messobjekt hin zur Bilderfassungseinrichtung orientiert ist. Dies kann insbesondere in Abhängigkeit der vorhergehend erläuterten räumlichen Lage und/oder Orientierung des Messobjekts, der Bilderfassungseinrichtung, in Abhängigkeit der optischen Eigenschaften, Materialeigenschaften und geometrischen Eigenschaften des Messobjekts sowie in Abhängigkeit der Abbildungseigenschaften der Bilderfassungseinrichtung erfolgen. Somit kann eine Wechselwirkung, die das Messobjekt und die Bilderfassungseinrichtung auf von der mindestens einen Lichtquelle emittierte Lichtstrahlen ausüben, sowie die daraus resultierenden Veränderungen von Eigenschaften der Lichtstrahlen rechnerisch bestimmt werden. Somit wird also die Simulation der Abbildungserzeugung verbessert.
Auch können in Abhängigkeit der Lage und/oder Orientierung sowie der Emissionsparameter so genannte Rendering-Verfahren angewendet werden. Beim Rendering-Verfahren wird ein räumlicher Verlauf eines Lichtstrahls und dessen Eigenschaften entlang des räumlichen Verlaufs rechnerisch bestimmt, wobei der Lichtstrahl von der Bilderfassungseinrichtung hin zum Messobjekt bzw. über das Messobjekt hin zur Lichtquelle orientiert ist. Somit wird ein Messobjekt so simuliert, wie es bei einer vorgegebenen Beleuchtung strahlt. Im Rendering-Verfahren kann beispielsweise eine so genannten bidirektionalen Reflektionsfunktion sowie eine Lichtaustrahlungsfunktion für verschiedene Wellenlängen ausgewertet werden.
Sowohl beim Ray-Tracing-Verfahren als auch beim Rendering-Verfahren wird daher eine Lichtstrahlpropagation berechnet, jedoch mit umgekehrten Ausbreitungsrichtungen. Hierbei ist in der Regel das Rendering-Verfahren effizienter, da man z. B. Streuung und Überbeleuchtungseffekte des Messfelds nur teilweise bzw. gar nicht betrachtet.
In Abhängigkeit der virtuellen Lage und/oder Orientierung der mindestens einen Lichtquelle sowie der Emissionsparameter kann auch bestimmt werden, ob ein virtuelles Auflichtbild, ein virtuelles Durchlichtbild, ein virtuelles Hellfeldbild, ein virtuelles Dunkelfeldbild oder eine Mischung dieser Bildarten erzeugt wird.
In einer weiteren Ausführungsform umfassen die Abbildungsparameter der Bilderfassungseinrichtung Abbildungsparameter mindestens eines optischen Elements der Bilderfassungseinrichtung. Wie vorhergehend erläutert, kann die Bilderfassungseinrichtung optische Elemente zur Strahlführung, beispielsweise Linsen, Objektive oder Spiegel umfassen. Auch diese beeinflussen Eigenschaften von Lichtstrahlen, die zur Erzeugung des Abbilds des Messobjekts in elektrische Signale umgewandelt werden.
Somit wird durch die Berücksichtigung von Abbildungsparametern der optischen Elemente die Qualität des virtuellen Abbilds weiter verbessert.
In einer weiteren Ausführungsform wird die virtuelle Lage und/oder virtuelle Orientierung des Messobjekts und/oder der mindestens einen Bilderfassungseinrichtung in Abhängigkeit von virtuellen Bewegungsparametern von mindestens einem beweglichen Teil des Koordinatenmessgeräts und/oder in Abhängigkeit von Geometriedaten des Koordinatenmessgeräts bestimmt.
Hierdurch können in vorteilhafter Weise eine sich verändernde relative Lage und/oder Orientierung zwischen Messobjekt und Bilderfassungseinrichtung während einer tatsächlichen Vermessung und/oder ortsfest angeordnete Teile des Koordinatenmessgeräts berücksichtigt werden.
Beispielsweise kann die Bilderfassungseinrichtung und/oder das Messobjekt durch mindestens einen beweglichen Teil des Koordinatenmessgeräts während der Vermessung bewegt werden, um unterschiedliche Bereiche des Messobjekts optisch zu erfassen. Hierbei ändert sich aber auch die relative Lage und/oder Orientierung und somit ein Verlauf sowie Eigenschaften der Lichtstrahlen, die zur Erzeugung des Abbilds des Messobjekts in elektrische Signale umgewandelt werden. Die Änderung der relativen Lage und/oder Orientierung kann in Abhängigkeit von den virtuellen Bewegungsparametern des Koordinatenmessgeräts und gegebenenfalls der räumlichen Ausbildung des Koordinatenmessgeräts bestimmt werden.
Zusätzlich zu den vorhergehend erläuterten Geometriedaten des Werkstücks, den optischen Eigenschaften des Werkstücks und den Abbildungseigenschaften der Bilderfassungseinrichtung kann das virtuelle Abbild auch in Abhängigkeit von Geometriedaten des Koordinatenmessgeräts erzeugt werden. Die Berücksichtigung von Geometriedaten des Koordinatenmessgeräts ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass auch ein Einfluss von beweglichen und/oder ortsfest angeordneten Teilen des Koordinatenmessgeräts auf die Abbildung des Messobjekts, beispielsweise eine Verschattung oder Verdeckung, berücksichtigt werden kann.
Die Geometriedaten können beispielsweise in Abhängigkeit von CAD-Daten des Koordinatenmessgeräts bestimmt werden. Geometriedaten können insbesondere auch in Abhängigkeit von verfahrbaren Achsen, einer Stellung von Dreh- und/oder Schwenkgelenken und/oder einer Stellung eines Drehtisches des Koordinatenmessgeräts bestimmt werden. Auch kann eine Größe, eine Lage und/oder eine Orientierung eines Messvolumens des Koordinatenmessgeräts bestimmt werden. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise die Einschränkung eines Bereiches, der für das Erzeugen von virtuellen Abbildern überhaupt nur relevant ist. Somit können z. B. Teile bzw. Merkmale des Messobjekts bestimmt werden, die im Messvolumen angeordnet und somit überhaupt nur abbildbar sind. Auch können Störkonturen, beispielsweise Konturen des Koordinatenmessgeräts bestimmt werden, die das Erzeugen eines Abbilds verhindern oder stören.
In Abhängigkeit von Bewegungsparametern von beweglichen Teilen, beispielsweise in Abhängigkeit von Soll-Signalen für Aktoren des Koordinatenmessgeräts, kann die relative räumliche Position und/oder Orientierung der Bilderfassungseinrichtung zum Messobjekt im virtuellen Koordinatensystem bestimmt werden. Hierzu kann eine kinematische Beschreibung des Koordinatenmessgeräts erforderlich sein, die eine so genannte Vorwärtsrechnung ermöglicht. Die kinematische Beschreibung kann hierbei in Abhängigkeit des tatsächlichen geometrischen Aufbaus oder Geometriedaten des Koordinatenmessgeräts erfolgen, z. B. in Form einer Funktion oder in Form von Transformationsmatrizen.
Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise, mehrere virtuelle Abbilder zu erzeugen, die tatsächlichen Abbildern entsprechen, die an verschiedenen Positionen entlang einer Bahn der Bilderfassungseinrichtung während der Vermessung erzeugt werden, wobei die Bahn in Abhängigkeit von Bewegungsparametern der beweglichen Teile beschrieben werden kann. So ist es z. B. denkbar, in Abhängigkeit einer geplanten Bahn entsprechende Bewegungsparameter zu bestimmen und dann in Abhängigkeit der Bewegungsparameter für verschiedene relative Lagen und/oder Orientierungen entlang der Bahn, wie vorhergehend beschrieben, ein virtuelles Abbild zu bestimmen. In Abhängigkeit der erzeugten virtuellen Abbilder kann dann wiederum die Qualität der gewünschten Bahn überprüft werden. Dies ermöglicht somit die qualitative Überprüfung von Prüfplänen, ohne dass das Koordinatenmessgerät entsprechend betrieben werden muss. Die Überprüfung kann in Abhängigkeit von Soll-Signalen durchgeführt werden, wodurch eine idealisierte, fehlerfreie Bewegung der beweglichen Teile des Koordinatenmessgeräts simuliert wird. Alternativ können auch vorbekannte Korrekturdaten bei der Bewegung berücksichtigt werden, die bekannte Abweichungen von der fehlerfreien Bewegung beschreiben, z. B. ein Verdrehen, ein Verkippen, ein Rollen oder eine Querbewegung der beweglichen Teile des Koordinatenmessgeräts.
In einer weiteren Ausführungsform wird das virtuelle Abbild zusätzlich in Abhängigkeit von Sensorparametern eines Bildsensors der Bilderfassungseinrichtung bestimmt.
Der Bildsensor bezeichnet hierbei ein Mittel zur Umwandlung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Licht, in elektrische Signale. Diese können wiederum in Bits oder Bitfolgen umgewandelt werden, wobei diese Bits und Bitfolgen Informationen eines Abbilds codieren. Der Bildsensor kann beispielsweise ein CCD-Sensor oder ein CMOS-Sensor sein. Selbstverständlich sind auch andere Arten von Bildsensoren vorstellbar.
Die vorhergehend beschriebene Umwandlung ist hierbei abhängig von Sensorparametern. Diese beschreiben beispielsweise einen Zusammenhang zwischen Intensität des Lichts und z. B. einer Amplitude des elektrischen Signals. Auch können Sensorparameter Rauscheigenschaften des Bildsensors beschreiben, beispielsweise in Form eines Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Weiter können diese Sensorparameter eine Auflösung, beispielsweise in Form einer Pixelgröße, eine Chipgröße, Aussteuerungseigenschaften und dynamische Eigenschaften beschreiben. Dynamische Eigenschaften können z. B. Eigenschaften eines Photostroms, der bei einer Belichtung des Bildsensors mit einer vorbestimmten Intensität erzeugt oder freigesetzt wird, eine minimale oder maximale Belichtungszeit und/oder Eigenschaften, beispielsweise Nichtlinearitäten, einer Signalwandlung von Licht in Elektronen und dann in Bits umfassen.
Auch können Sensorparameter eine Reflektivität des Bildsensors beschreiben. Die Reflektivität kann z. B. abhängig von einer Einstrahlrichtung sein. Somit kann auch Reflektivität des Bildsensors, der z. B. so genanntes Falschlicht bei einer tatsächlichen Abbildung erzeugen kann, direkt oder indirekt bei der Erzeugung des virtuellen Abbilds berücksichtigt werden.
Hierdurch können in vorteilhafter Weise auch tatsächliche Eigenschaften des Bildsensors, die sich auf die Erzeugung eines tatsächlichen Abbilds auswirken, bei der Erzeugung eines virtuellen Abbilds berücksichtigt werden. Dies erlaubt wiederum in vorteilhafter Weise eine Verbesserung der Qualität der erzeugten virtuellen Abbilder derart, dass diese möglichst wenig von den korrespondierenden tatsächlichen Abbildern abweichen.
In einer weiteren Ausführungsform wird nach Erzeugen des virtuellen Abbilds mindestens eine Bildverarbeitungsmethode auf das virtuelle Abbild angewendet, wobei die Bildverarbeitungsmethode mindestens einen Abbildungsfehler der Bilderfassungseinrichtung simuliert. Die Bildverarbeitungsmethode kann hierbei auf mindestens einen Bildpunkt oder einen vorbestimmten Bereich von Bildpunkten angewendet werden. Hierbei erfolgt die Simulation von Abbildungsfehlern also nicht in Abhängigkeit einer Beschreibung mittels Abbildungsparametern, sondern durch die Anwendung einer Bildverarbeitungsmethode. Somit erfolgt also keine modellbasierte Erzeugung eines virtuellen Abbilds sondern eine ergebnisbasierte Erzeugung eines virtuellen Abbilds.
Die Bildverarbeitungsmethode bezeichnet hierbei z. B. eine mathematische Operation, die auf eine wertbasierte Repräsentation des virtuellen Abbilds angewendet wird. Wertbasiert bedeutet hierbei z. B., dass die mathematische Operationen Intensitätswerte, z. B. Grauwerte, von Bildpunkten berücksichtigt und/oder verändert.
Solche Bildverarbeitungsmethoden umfassen beispielsweise Glättungsoperationen, Filteroperationen und weitere Operationen zur Veränderung der Intensitätswerte von Bildpunkten. Auch kann über derartige Bildverarbeitungsmethoden eine Auswirkung, die auch als so genanntes Übersprechen bezeichnet werden kann, von zu einem Sensorelement benachbarten Sensorelementen des Bildsensors auf dieses Sensorelement, welche bei einer Belichtung entstehen können und das von dem Sensorelement erzeugte Signal verfälschen, simuliert werden.
Hierdurch können in vorteilhafter Weise Abbildungseigenschaften mit einer ausreichenden Genauigkeit simuliert werden, die modellbasiert, insbesondere mathematisch, nur schwierig zu beschreiben sind.
In einer weiteren Ausführungsform wird nach Erzeugen des virtuellen Abbilds mindestens eine Glättungsfilteroperation auf das virtuelle Bild angewendet. Eine Stärke der Glättungsfilteroperation wird in Abhängigkeit eines Abstands eines in einen oder mehrere Bildpunkte abgebildeten Punktes des Messobjekts von einer Schärfenebene der Bilderfassungseinrichtung gewählt. Hierbei steigt eine Stärke der Glättungsfilteroperation mit zunehmendem Abstand des abgebildeten Punktes von der Schärfenebene. Dieser Abstand kann z. B. in Abhängigkeit der Abbildungseigenschaften der Bilderfassungseinrichtung beschrieben werden. In Ray-Tracing-Verfahren kann dieser Abstand auch während der Berechnung eines Strahlenverlaufs bestimmt und gespeichert werden. Die Glättungsfilteroperation kann hierbei auf den Bildpunkt oder die Bildpunkte angewendet werden, in die der entsprechende Punkt abgebildet wurde.
Die Glättungsoperation kann beispielsweise eine Mittelwertbildung, insbesondere auch eine gewichtete Mittelwertbildung, umfassen, wobei ein Mittelwert von Intensitätswerten in einem vorbestimmten Bereich von Bildpunkten berechnet wird. Der vorbestimmte Bereich kann hierbei den Bildpunkt oder die Bildpunkte umfassen, in den/die der entsprechende Punkt abgebildet wurde. In diesem Fall kann eine Größe des vorbestimmten Bereiches abhängig von einer Stärke gewählt werden. Insbesondere kann der Bereich mit steigender Stärke größer werden.
So kann beispielsweise ein Intensitätswert eines Bildpunkts, der einen Punkt aus der Schärfenebene abbildet, nicht verändert werden. Ein Bildpunkt, der einen weit von der Schärfenebene entfernten Punkt abbildet, kann stark mit Nachbarbildpunkten verschwimmen.
Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine einfache Nachbildung eines Schärfentiefeffekts, der bei der Erzeugung von Bildpunkten tatsächlicher Abbilder den vorhergehend erläuterten Effekt bewirkt. Dies erfolgt jedoch nicht modellbasiert, vielmehr erzeugt die vorgeschlagene Glättungsfilteroperation gleiche Ergebnisse wie der Schärfentiefeeffekt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das vorhergehend erläuterte Ray-Tracing- oder Rendering-Verfahren genutzt wird, da diese Verfahren scharfe virtuelle Abbilder erzeugen.
Da die numerische Apertur der Bilderfassungseinrichtung den Schärfentiefeeffekt maßgeblich beeinflusst, kann dieser bei der Erzeugung des virtuellen Abbilds aber, wie vorhergehend erläutert, alternativ durch die Berücksichtigung der numerischen Apertur bei der Bestimmung des virtuellen Abbilds simuliert werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine (virtuelle) Schärfenebene der Bilderfassungseinrichtung bestimmt wird, wobei das virtuelle Abbild dem in der (virtuellen) Schärfenebene angeordneten Teil des virtuellen Messobjekts entspricht. Dies bedeutet, dass bei der Erzeugung des virtuellen Abbilds ausschließlich Informationen aus der (virtuellen) Schärfenebene oder aus einem vorbestimmten Bereich um diese (virtuelle) Schärfenebene herum berücksichtigt werden. Somit wird nur für die Teile oder Bereiche des virtuellen Messobjekts, die in der (virtuellen) Schärfenebene oder in einem Bereich mit vorbestimmter Größe um die Schärfenebene herum angeordnet sind, bestimmt, wie diese in eine virtuelle Bildebene abgebildet werden oder wie diese Teile oder Bereiche abbildende Strahlen in elektrische Signale umgewandelt werden.
Insbesondere kann ein Ray-Tracing- oder Rendering-Verfahren ausschließlich für die Teile oder Bereiche des Messobjekts durchgeführt werden, die in der (virtuellen) Schärfenebene oder in dem vorbestimmten Bereich um diese Schärfenebene herum angeordnet sind. Beispielsweise kann die Auswahl der vorhergehend erläuterten Teile oder Bereiche durch eine so genannte Clipping-Funktion erfolgen, die es bei Ray-Tracing-Verfahren erlaubt, bestimmte Tiefenbereiche zu selektieren.
Hierdurch kann in vorteilhafter Weise der Erzeugung eines virtuellen Abbilds vereinfacht, insbesondere beschleunigt, werden, da weniger Informationen bei der Erzeugung des virtuellen Abbilds zu berücksichtigen sind.
In einer weiteren Ausführungsform wird mindestens ein einstellbarer Parameter der mindestens einen Lichtquelle in Abhängigkeit eines korrespondierenden Parameters zur Erzeugung des virtuellen Abbilds eingestellt. Wird die Erzeugung des virtuellen Abbilds beispielsweise in Abhängigkeit von bestimmten Emissionsparametern der mindestens einen Lichtquelle durchgeführt, so kann beispielsweise ein veränderbarer Parameter der tatsächlichen Lichtquelle entsprechend des korrespondierenden Emissionsparameters eingestellt werden. Beispielsweise kann eine Intensität einer tatsächlichen Lichtquelle entsprechend einer bei der Erzeugung des virtuellen Abbilds verwendeten Intensität der Lichtquelle eingestellt werden. Alternativ oder kumulativ können auch andere der vorhergehend erläuterten Emissionsparameter bei der tatsächlichen Lichtquelle entsprechend eingestellt werden.
Alternativ oder kumulativ kann mindestens ein einstellbarer Parameter des Koordinatenmessgeräts entsprechend den bei der Erzeugung des virtuellen Abbilds berücksichtigten Parameter eingestellt werden. Dies gilt insbesondere für die vorhergehend erläuterten Bewegungsparameter.
Alternativ oder kumulativ kann mindestens ein einstellbarer Parameter der Bilderfassungseinrichtung entsprechend den bei der Erzeugung des virtuellen Abbilds berücksichtigten Parameter eingestellt werden. Ein solcher Parameter kann beispielsweise eine Brennweite sein.
Alternativ oder kumulativ kann mindestens ein einstellbarer Parameter des optischen Sensors entsprechend den bei der Erzeugung des virtuellen Abbilds berücksichtigten Parameter eingestellt werden. Ein solcher Parameter kann beispielsweise eine Sensitivität sein.
Dies ermöglicht somit in vorteilhafter Weise, die zur Simulation verwendeten Parameter zur Einstellung von tatsächlichen Parametern und somit zur Steuerung einer tatsächlichen optischen Vermessung zu übernehmen. Die Übernahme kann hierbei automatisch erfolgen oder z. B. durch eine entsprechende Benutzereingabe ausgelöst werden. Hierzu können entsprechende Daten von einer Vorrichtung zur Erzeugung des mindestens einen virtuellen Abbilds an eine oder mehreren entsprechende Steuereinrichtungen des Koordinatenmessgeräts übertragen werden.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise eine realistische Simulation einer Bildaufnahme durch eine Bilderfassungseinrichtung eines Koordinatenmessgeräts. Ein Nutzer oder auch ein Algorithmus zur automatischen Einstellung kann beispielsweise in Abhängigkeit derart erzeugter virtueller Abbilder für die tatsächliche optische Vermessung eines Werkstücks einen Bildausschnitt, eine geeignete Vergrößerung, einen geeigneten Arbeitsabstand sowie weitere einstellbare Parameter bei der Bildaufnahme abschätzen. Für die Simulation verwendete Parameter können dann zur Steuerung des Koordinatenmessgeräts verwendet werden.
Auch können in Abhängigkeit der erzeugten virtuellen Abbilder Verfahren zur Merkmalsdetektion und -bestimmung sowie zur Fokusmessung getestet werden. Somit kann z. B. ein Prüfplan, der eine gewünschte Vermessung des Messobjekts ermöglicht, vor der tatsächlichen Vermessung, d. h. offline, vorbereitet werden.
Weiter können durch das vorgeschlagene Verfahren auch Verfahren zur Auswertung tatsächlich erzeugter Abbilder getestet werden, beispielsweise von Verfahren zur bildbasierten Vermessung von Messobjekten. Beispielsweise können in Abhängigkeit der virtuellen Abbilder Verfahren, insbesondere auch Bildverarbeitungsmethoden, zur Merkmalserkennung, Kantendetektion und -vermessung durchgeführt werden.
Auch kann ein Nutzer virtuelle Abbilder mit verschiedenen Parametern, beispielsweise mit verschiedenen Beleuchtungsstärken, mit verschiedenen Bewegungsparametern, mit verschiedenen virtuellen Lagen und/oder Orientierungen etc. erzeugen und auf Grundlage der erzeugten virtuellen Abbilder die für eine tatsächlich verwendete Vermessung optimalen Parameter bestimmen. Dies kann für jede Messaufgabe, also für jedes Messobjekt oder sogar für ein, mehrere oder alle zu vermessende(s/n) Merkmal(e) oder (Teil-)Strukturen an einem Messobjekt, individuell erfolgen.
Auch kann eine Optimierung von Ergebnissen der vorhergehend erläuterten Verfahren zur Auswertung in Abhängigkeit der virtuellen Abbilder durchgeführt werden. Hierbei können Parameter, die zur Erzeugung der virtuellen Abbilder genutzt werden, und die zu entsprechenden, einstellbaren Parametern für eine tatsächliche Vermessung korrespondieren, derart verändert werden, dass Ergebnisse optimiert werden. Ein optimales Ergebnis kann beispielsweise vorliegen, falls eine Abweichung eines Ergebnisses, beispielsweise eines geometrischen Abmaßes, eines Verfahrens zur Auswertung von einem realen Ergebnis, beispielsweise von einem realen Abmaß, minimal ist. Beispielsweise können auf diese Weise einstellbare Emissionsparameter einer Lichtquelle, einstellbare Bewegungsparameter des Koordinatenmessgeräts, einstellbare Abbildungseigenschaften der Bilderfassungseinrichtung sowie relative Lagen und/oder Orientierungen des Messobjekts und/oder der mindestens einen Lichtquelle und/oder der mindestens einen Bilderfassungseinrichtung zueinander derart bestimmt werden, so dass eine möglichst genaue optische Vermessung eines Messobjekts ermöglicht wird.
Die Bestimmung von derart optimalen Parametern kann hierbei beispielsweise durch Iteration oder durch Parameteroptimierungsverfahren erfolgen, wobei zur Bestimmung der optimalen Parameter virtuelle Abbilder verwendet werden. Beispielsweise können bekannte Verfahren zur Bestimmung optimaler Parameter, die tatsächlich erzeugte Abbilder verwenden, verwendet werden, um in Abhängigkeit der virtuellen Abbilder die entsprechenden optimalen Parameter zu bestimmen.
Selbstverständlich kann die Bestimmung der optimalen Parameter, insbesondere von optimalen Emissionsparametern manuell, teilautomatisiert oder auch vollautomatisiert durchgeführt werden.
Auch Teile der Sequenz können durchlaufen werden. Beispielsweise können nur optimale, einstellbare Parameter, beispielsweise eine Intensität, der mindestens einen Lichtquelle oder nur optimale, einstellbare Parameter, z. B. ein Fokus, der Bilderfassungseinrichtung bestimmt werden.
Auch können CAD-Daten eines beliebigen, zu vermessenden Messobjekts eingelesen werden und die vorgeschlagene Erzeugung von virtuellen Abbildern somit für jedes beliebige Messobjekt durchgeführt werden. Somit kann z. B. für einen Kunden unmittelbar eine entsprechende Demonstration der Funktionsweise eines vorbestimmten Koordinatenmessgeräts zur optischen Vermessung erfolgen, wobei die Abbildungseigenschaften und gegebenenfalls die Emissionseigenschaften von Lichtquellen des vorbestimmten Koordinatenmessgeräts bekannt sind.
Das Verfahren ermöglicht auch in vorteilhafter Weise die Bestimmung von optimalen einstellbaren Parametern mehrerer Koordinatenmessgeräte, z. B. mehrere Koordinatenmessgeräte einer Serie, mittels derer z. B. gleiche oder gleichartige Messobjekte vermessen werden sollen. Hierzu können virtuelle Abbilder mit normierten einstellbaren Parametern erzeugt werden. Insbesondere können normierte einstellbare Parameter derart bestimmt werden, dass, wie vorhergehend erläutert, ein Messergebnis optimiert wird.
In Abhängigkeit der durch die Optimierung bestimmten normierten Parameter können dann für jedes der mehreren Koordinatenmessgeräte korrespondierende Parameter bestimmt werden, die zur tatsächlichen Vermessung eingestellt werden. Hierbei kann für jedes Koordinatenmessgerät ein Zusammenhang zwischen den normierten Parametern und tatsächlich einzustellenden Parametern vorbekannt sein. Dieser Zusammenhang kann beispielsweise bestimmt werden, indem für jedes Koordinatenmessgerät tatsächlich einzustellende Parameter, beispielsweise in einem Kalibrierverfahren, derart bestimmt werden, dass das gleiche Messergebnis erzielt wird. Dieser Parametersatz bildet dann einen messgerätspezifischen Referenzparametersatz für normierte Parameter. Beispielsweise können normierte Parameter relativ zu dem Referenzparametersatz angegeben werden.
Beispielsweise können für jede Lichtquelle oder jede Gruppe von mehreren Lichtquellen jedes Koordinatenmessgeräts einstellbare Parameter derart bestimmt werden, dass eine Referenzintensität erzeugt wird, bei der ein beleuchtetes Referenzobjekt eine vorbestimmte Ausleuchtung, beispielsweise 95%, des Bildsensors der Bilderfassungseinrichtung erzeugt. Das Referenzobjekt kann z. B. ein weißes, diffus reflektierendes Objekt mit einer vorbestimmten Reflektivität von beispielsweise 50% sein, insbesondere eine Keramikscheibe. Diese Parameter bilden den Referenzparametersatz für das jeweilige Koordinatenmessgerät.
Ein virtuelles Abbild kann dann in Abhängigkeit dieser Intensität und/oder eines vorbestimmten Prozentsatzes dieser Referenzintensität bestimmt werden. Wird als optimale Intensität beispielsweise eine Intensität bestimmt, die nur einen Teil der Referenzintensität beträgt, so können dann die entsprechenden Parameter für ein Koordinatenmessgerät derart bestimmt werden, dass nur der entsprechende Anteil erzeugt wird. Insbesondere kann auch die vorhergehend erläuterte Optimierung durchgeführt werden, wobei der Anteil der Referenzintensität geändert wird.
Die Bestimmung von virtuellen Abbildern in Abhängigkeit von Anteilen der Referenzintensität erfordert in vorteilhafter Weise nicht unbedingt eine erneute Berechnung der Strahlpropagation durch Ray-Tracing- oder Rendering-Verfahren, da Intensitäten des virtuellen Abbilds, welche in Abhängigkeit der Referenzintensität bestimmt wurden, nur entsprechend des vorbestimmten Anteils skaliert werden können. Diese Näherung ist umso besser, je weniger die weiteren Emissionsparameter wie z. B. Abstrahlwinkel, Spektrum, mittlere Wellenlänge und Polarisation von der Intensität abhängen.
Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise die Bestimmung von einstellbaren Parametern für einen optimalen Prüfplan durch nur eine Simulation oder ein Simulationsszenario sowie eine entsprechende Übertragung an mehrere, gleichartige Koordinatenmessgeräte.
Auch vorgeschlagen wird ein Computerprogrammprodukt, in oder auf welchem ein Code zur Ausführung eines der vorhergehend erläuterten Verfahren gespeichert ist. Insbesondere kann das Computerprogrammprodukt ein Computerprogramm enthalten, welches Softwaremittel zur Durchführung eines der vorhergehend erläuterten Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm in einem Automatisierungssystem ausgeführt wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird in Abhängigkeit des virtuellen Abbilds eine Messgenauigkeit eines Koordinatenmessgeräts, insbesondere die Genauigkeit der durch das Koordinatenmessgerät durchgeführten optischen Vermessung eines Messobjekts, bestimmt. Beispielsweise kann mindestens eine geometrische Eigenschaft des Messobjekts, die in Abhängigkeit der vorbekannten Geometriedaten des Messobjekts bestimmbar ist, mit einer bildbasiert bestimmten, korrespondierenden geometrischen Eigenschaft, die in Abhängigkeit des virtuellen Abbilds bestimmt wird, verglichen werden. Ein Vergleich kann z. B. durch eine Differenzbildung zwischen der geometrischen Eigenschaft und der bildbasiert bestimmten geometrischen Eigenschaft erfolgen. Die Messgenauigkeit kann dann in Abhängigkeit des Vergleichs bzw. der Differenz bestimmt werden.
Eine geometrische Eigenschaft kann hierbei Strukturgrößen von (Teil-)Strukturen des Messobjekts umfassen, beispielsweise und nicht abschließend, eine Breite, eine Länge, eine Tiefe, einen Durchmesser, eine Fläche, eine Lage oder Position, eine Orientierung einer (Teil-)Struktur des Messobjekts. Die (Teil-)Struktur kann beispielsweise eine Linie, eine Kante, eine Öffnung sein.
Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise, vor einer tatsächlichen Durchführung z. B. eines Prüfplans eine Messgenauigkeit, die mit dem Prüfplan erreicht wird, zu beurteilen.
Auch kann somit ein Einfluss einer Veränderung von einem oder mehreren, insbesondere einstellbaren, Parametern auf die Messgenauigkeit bestimmt werden. Dies kann auch als parameterabhängige Sensitivität bezeichnet werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird in Abhängigkeit des virtuellen Abbilds eine Messgenauigkeit verschiedener Verfahren zur bildbasierten Vermessung eines Messobjekts verglichen.
Die vorhergehend erläuterte bildbasierte Bestimmung von geometrischen Eigenschaften aus einem virtuellen oder tatsächlichen Abbild des Messobjekts erfolgt zumindest teilweise durch Bildverarbeitungsmethoden. Hierbei können beispielsweise Methoden zur Strukturdetektion angewendet werden, beispielsweise zur Kanten- oder Liniendetektion. Auch können Methoden zur Bildverbesserung, beispielsweise Filtermethoden zur Rauschreduktion, angewendet werden. Auch können Methoden zur Bestimmung einer Bildpunktposition und eines Abstands zwischen verschiedenen Bildpunkten angewendet werden. Ist ein entsprechender Umrechnungsfaktor bzw. eine entsprechende Umrechnungsvorschrift bekannt, so können diese bildbasiert bestimmten Eigenschaften, also z. B. Positionen, Abstände, Orientierungen in korrespondierende, tatsächliche Eigenschaften umgerechnet werden.
Existieren mehrere Bildverarbeitungsmethoden, die zur bildbasierten Bestimmung von geometrischen Eigenschaften alternativ oder kumulativ durchführbar sind, so können die in Abhängigkeit einer ersten Bildverarbeitungsmethode oder einer ersten Sequenz von verschiedenen Bildverarbeitungsmethoden bestimmten geometrischen Eigenschaften mit geometrischen Eigenschaften verglichen werden, die in Abhängigkeit einer weiteren Bildverarbeitungsmethode oder einer weiteren Sequenz von verschiedenen Bildverarbeitungsmethoden bestimmt wurden. Dies ist möglich, da dasselbe virtuelle Abbild als Ausgangsbild für die verglichenen Bildverarbeitungsmethoden bzw. Sequenzen von Bildverarbeitungsmethoden verwendet wird.
Auch können die mit den verschiedenen Bildverarbeitungsmethoden bestimmten geometrischen Eigenschaften, wie vorhergehend erläutert, mit korrespondierenden, geometrischen Eigenschaften verglichen werden, die in Abhängigkeit der vorbekannten Geometriedaten des Messobjekts bestimmt werden können.
Hierdurch können in vorteilhafter Weise verschiedene Bildverarbeitungsmethoden oder Sequenzen für denselben Satz von, insbesondere einstellbaren, Parametern verglichen werden. Somit kann insbesondere eine Bildverarbeitungsmethode oder eine Sequenz ausgewählt werden, die für den Satz von Parametern die höchste Messgenauigkeit aufweist.
Auch kann somit ein Einfluss einer Veränderung von einem oder mehreren, insbesondere einstellbaren, Parametern des Koordinatenmessgeräts und/oder der Lichtquelle und/oder der Bilderfassungseinrichtung auf die Messgenauigkeit verschiedener Bildverarbeitungsmethoden oder Sequenzen von Bildverarbeitungsmethoden bestimmt werden. Hierdurch kann beispielsweise ein Umschalten zwischen verschiedenen Bildverarbeitungsmethoden oder verschiedenen Sequenzen von Bildverarbeitungsmethoden erfolgen, wenn sich Parameter ändern. Insbesondere kann derart zwischen verschiedenen Bildverarbeitungsmethoden oder verschiedenen Sequenzen von Bildverarbeitungsmethoden umgeschaltet werden, dass für einen aktuellen Satz von Parametern jeweils die Bildverarbeitungsmethoden oder Sequenz Bildverarbeitungsmethoden gewählt wird, deren Messgenauigkeit für den aktuellen Satz von Parametern am höchsten ist. Die derart ausgewählte Methode oder Sequenz kann dann auch in einem korrespondierenden tatsächlichen Messvorgang angewendet werden.
Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Erzeugung mindestens eines virtuellen Abbilds eines Messobjekts, wobei eine virtuelle Lage und/oder virtuelle Orientierung des Messobjekts bestimmt wird, wobei eine virtuelle Lage und/oder virtuelle Orientierung mindestens einer Bilderfassungseinrichtung des Koordinatenmessgeräts bestimmt wird, wobei das virtuelle Abbild in Abhängigkeit von Geometriedaten des Messobjekts und in Abhängigkeit von optischen Eigenschaften des Messobjekts erzeugt wird, wobei das virtuelle Abbild zusätzlich in Abhängigkeit von Abbildungsparametern der Bilderfassungseinrichtung erzeugt wird, wobei das virtuelle Abbild zusätzlich in Abhängigkeit von Sensorparametern eines Bildsensors der Bilderfassungseinrichtung bestimmt wird.
Weiter vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Erzeugung mindestens eines virtuellen Abbilds eines Messobjekts, wobei die Vorrichtung mindestens eine Steuer- und Auswerteeinrichtung umfasst, wobei mittels der Steuer- und Auswerteeinrichtung eine virtuelle Lage und/oder virtuelle Orientierung des Messobjekts und eine virtuelle Lage und/oder virtuelle Orientierung mindestens einer Bilderfassungseinrichtung des Koordinatenmessgeräts bestimmbar ist, wobei das virtuelle Abbild in Abhängigkeit von Geometriedaten des Messobjekts und in Abhängigkeit von optischen Eigenschaften des Messobjekts erzeugbar ist.
Weiter ist das virtuelle Bild zusätzlich in Abhängigkeit von Abbildungsparametern der Bilderfassungseinrichtung erzeugbar. Hierfür kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung entsprechend ausgebildet sein.
Das vorgeschlagene Koordinatenmessgerät ermöglicht in vorteilhafter Weise die Durchführung eines der vorhergehend erläuterten Verfahren.
Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann hierbei mit weiteren Steuereinrichtungen des Koordinatenmessgeräts signal- oder datentechnisch verbunden sein. In diesem Fall können zur Erzeugung des virtuellen Abbilds verwendete Parameter von der Steuer- und Auswerteeinrichtung an die weiteren Steuereinrichtungen übertragen werden, wobei die weiteren Steuereinrichtungen in Abhängigkeit der übertragenen Parameter korrespondierende, einstellbare Parameter des Koordinatenmessgeräts und/oder der mindestens einen Lichtquelle und/oder der Bilderfassungseinrichtung einstellen. Hierzu können die zur Erzeugung des virtuellen Abbilds verwendeten Parameter entsprechend umgewandelt werden, beispielsweise mittels einer vorbekannten Umwandlungsvorschrift.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem ersten Schritt S1 werden CAD-Daten CAD_M eines zu vermessenden Messobjekts eingelesen. Weiter werden Materialeigenschaften ME_M des zu vermessenden Messobjekts eingelesen. Diese umfassen auch Eigenschaften einer Oberfläche des Messobjekts, z. B. eine Oberflächengüte und einen Glanzgrad. In Abhängigkeit der Materialeigenschaften ME_M und der aus den CAD-Daten CAD_M bestimmten geometrischen Eigenschaften können dann optische Eigenschaften des zu vermessenden Messobjekts, insbesondere für verschiedene Teilbereiche des Messobjekts, bestimmt werden. Hierzu können z. B. in einer Speichereinrichtung optische Eigenschaften verschiedener Materialien und Materialzusammensetzungen gespeichert sein. Optische Eigenschaften umfassen insbesondere Reflexions-, Transmissions-, Beugungs- und Streuungseigenschaften des Messobjekts.
In einem zweiten Schritt S2 werden Abbildungsparameter uAE, vAE einer Bilderfassungseinrichtung, z. B. einer Kamera, des Koordinatenmessgeräts eingelesen. Diese umfassen unveränderliche Abbildungsparameter uAE und veränderliche Abbildungsparameter vAE. Abbildungsparameter uAE, vAE umfassen hierbei auch Sensorparameter eines Bildsensors der Bilderfassungseinrichtung. Veränderliche Abbildungsparameter vAE umfassen hierbei z. B. eine Brennweite, einen Arbeitsabstand vom Messobjekt, eine numerische Apertur und telezentrische Eigenschaften.
In einem dritten Schritt S3 werden Emissionsparameter uEP, vEP aller Lichtquellen des Koordinatenmessgeräts eingelesen. Diese umfassen wiederum unveränderliche Emissionsparameter uEP und veränderliche Emissionsparameter vEP. Veränderliche Emissionsparameter vEP umfassen hierbei z. B. eine Intensität des erzeugten Lichts, eine Wellenlänge, eine Einschaltdauer und einen Einschaltzeitpunkt.
In einem vierten Schritt S4 werden CAD-Daten CAD_k und Materialeigenschaften ME_k des Koordinatenmessgeräts eingelesen. Weiter werden Bewegungsparameter BP des Koordinatenmessgeräts eingelesen. Die Bewegungsparameter BP umfassen hierbei gewünschte Positionen von Antriebseinrichtungen, insbesondere Linear- und/oder Rotationsantriebseinrichtungen, des Koordinatenmessgeräts, beispielsweise Bewegungsparameter BP von verfahrbaren Achsen und Gelenken des Koordinatenmessgeräts sowie von Bewegungsparametern BP eines Drehtisches, auf dem das zu vermessende Messobjekt zur tatsächlichen Vermessung angeordnet wird.
In einem fünften Schritt S5 wird eine relative Lage und/oder Orientierung des virtuellen Messobjekts zu der Bilderfassungseinrichtung sowie eine relative Lage und/oder Orientierung der Lichtquellen zum virtuellen Messobjekt in einem virtuellen Referenzkoordinatensystem bestimmt. Hierzu kann eine virtuelle Lage und/oder Orientierung des Messobjekts, der Bilderfassungseinrichtung sowie der Lichtquellen in dem virtuellen Referenzkoordinatensystem bestimmt werden.
Diese Bestimmung der virtuellen Lage und/oder Orientierung der Bilderfassungseinrichtung und des Messobjekts kann beispielsweise in Abhängigkeit der Bewegungsparameter BP des Koordinatenmessgeräts sowie der CAD-Daten des Koordinatenmessgeräts erfolgen.
In einem sechsten Schritt S6 wird durch ein Ray-Tracing-Verfahren oder ein Rendering-Verfahren, welches die vorhergehend eingelesenen Eigenschaften rechnerisch berücksichtigt, eine Verteilung einer Strahlintensität in einer virtuellen Bildebene bestimmt. In Abhängigkeit der Sensorparameter können dann die elektrischen Signale bestimmt werden, die von dem optischen Sensor bei der gegebenen Verteilung der Strahlintensität erzeugt werden. Gegebenenfalls unter Berücksichtigung weiterer Signalwandlungen, beispielsweise einer A/D-Wandlung, können dann Intensitätswerte, insbesondere in Form von Bits, von Bildpunkten eines virtuellen Abbilds vA bestimmt werden.
In einem siebten Schritt S7 wird eine Glättungsfilteroperation auf Bildpunkte des virtuellen Abbilds vA angewendet, wobei eine Stärke der Glättungsfilteroperation abhängig von Abständen der Punkte, die in diese Bildpunkte abgebildet wurden, von einer Schärfenebene der Bilderfassungseinrichtung gewählt wird.
In einem achten Schritt S8 werden dann bekannte Verfahren zur Auswertung von Abbildern, beispielsweise zur bildbasierten Vermessung von optisch abgebildeten Messobjekten, auf das virtuelle Abbild vA angewendet, um geometrische Abmaße des Messobjekts, von dem das virtuelle Abbild vA erzeugt wurde, zu bestimmen.
Diese Abmaße können in einem neunten Schritt S9 mit Abmaßen verglichen werden, die in Abhängigkeit der CAD-Daten CAD_M des Messobjekts bestimmt wurden. Dann kann in einem zehnten Schritt S10 eine Veränderung von veränderlichen Abbildungseigenschaften vAE und Emissionsparametern vEP und von Bewegungsparametern BP des Koordinatenmessgeräts erfolgen und das Verfahren ab dem zweiten Schritt S2 erneut durchgeführt werden. Die Veränderung kann beispielsweise derart oder so lange erfolgen, dass/bis eine Differenz der im neunten Schritt S9 bestimmten Abmaße minimal ist oder ein vorbestimmtes Maß unterschreitet.

Claims

Verfahren zur Bestimmung von einstellbaren Parametern mehrerer Koordinatenmessgeräte, bei dem mindestens ein virtuelles Abbild (vA) eines Messobjekts erzeugt wird, wobei eine virtuelle Lage und/oder virtuelle Orientierung des Messobjekts bestimmt wird, wobei eine virtuelle Lage und/oder virtuelle Orientierung mindestens einer Bilderfassungseinrichtung eines Koordinatenmessgeräts bestimmt wird, wobei das virtuelle Abbild (vA) in Abhängigkeit von Geometriedaten des Messobjekts und in Abhängigkeit von optischen Eigenschaften des Messobjekts erzeugt wird, wobei das virtuelle Abbild (vA) zusätzlich in Abhängigkeit von Abbildungsparametern (uAE, vAE) der Bilderfassungseinrichtung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das virtuelle Abbild (vA) mit normierten einstellbaren Parametern erzeugt wird, wobei in Abhängigkeit der normierten Parameter für jedes der mehreren Koordinatenmessgeräte korrespondierende Parameter bestimmt werden, die zur tatsächlichen Vermessung einstellbar sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine virtuelle Lage und/oder virtuelle Orientierung mindestens einer Lichtquelle bestimmt wird, wobei das virtuelle Abbild (vA) zusätzlich in Abhängigkeit von Emissionsparametern (uEP, vEP) der Lichtquelle bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsparameter (uAE, vAE) der Bilderfassungseinrichtung Abbildungsparameter mindestens eines optischen Elements der Bilderfassungseinrichtung umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuelle Lage und/oder virtuelle Orientierung des Messobjekts und/oder der mindestens einen Bilderfassungseinrichtung in Abhängigkeit von virtuellen Bewegungsparametern BP von mindestens einem beweglichen Teil des Koordinatenmessgeräts und/oder in Abhängigkeit von Geometriedaten des Koordinatenmessgeräts bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das virtuelle Abbild (vA) zusätzlich in Abhängigkeit von Sensorparametern eines Bildsensors der Bilderfassungseinrichtung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erzeugen des virtuellen Abbilds (vA) mindestens eine Bildverarbeitungsmethode auf das virtuelle Abbild (vA) angewendet wird, wobei die Bildverarbeitungsmethode mindestens einen Abbildungsfehler der Bilderfassungseinrichtung simuliert.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erzeugen des virtuellen Abbilds (vA) mindestens ein Glättungsfilteroperation auf das virtuelle Abbild (vA) angewendet wird, wobei eine Stärke der Glättungsfilteroperation in Abhängigkeit eines Abstands eines in einen oder mehrere Bildpunkte abgebildeten Punktes des Messobjekts von einer Schärfenebene der Bilderfassungseinrichtung gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schärfenebene der Bilderfassungseinrichtung bestimmt wird, wobei das virtuelle Abbild (vA) dem in der Schärfenebene oder in einem vorbestimmten Bereich um diese Schärfenebene herum angeordneten Teil des virtuellen Messobjekts entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein einstellbarer Parameter (vAE, vEP, BP) der mindestens einen Lichtquelle und/oder des Koordinatenmessgeräts und/oder der Bilderfassungseinrichtung in Abhängigkeit eines zur Erzeugung des virtuellen Abbilds (vA) verwendeten korrespondierenden Parameters eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des virtuellen Abbilds (vA) eine Messgenauigkeit eines Koordinatenmessgeräts bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des virtuellen Abbilds (vA) eine Messgenauigkeit verschiedener Verfahren zur bildbasierten Vermessung eines Messobjekts verglichen wird.
Computerprogrammprodukt, in oder auf welchem ein Code zur Ausführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 gespeichert ist.
Verfahren zur Erzeugung mindestens eines virtuellen Abbilds (vA) eines Messobjekts, wobei eine virtuelle Lage und/oder virtuelle Orientierung des Messobjekts bestimmt wird, wobei eine virtuelle Lage und/oder virtuelle Orientierung mindestens einer Bilderfassungseinrichtung des Koordinatenmessgeräts bestimmt wird, wobei das virtuelle Abbild (vA) in Abhängigkeit von Geometriedaten des Messobjekts und in Abhängigkeit von optischen Eigenschaften des Messobjekts erzeugt wird, wobei das virtuelle Abbild (vA) zusätzlich in Abhängigkeit von Abbildungsparametern (uAE, vAE) der Bilderfassungseinrichtung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das virtuelle Abbild (vA) zusätzlich in Abhängigkeit von Sensorparametern eines Bildsensors der Bilderfassungseinrichtung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, weiter umfassend die kennzeichnenden Merkmale eines Anspruchs oder mehrerer Ansprüche der Ansprüche 2 bis 4 und 6 bis 11.
Vorrichtung zur Erzeugung mindestens eines virtuellen Abbilds (vA) eines Messobjekts, wobei die Vorrichtung mindestens eine Steuer- und Auswerteeinrichtung umfasst, wobei mittels der Steuer- und Auswerteeinrichtung eine virtuelle Lage und/oder virtuelle Orientierung des Messobjekts und eine virtuelle Lage und/oder virtuelle Orientierung mindestens einer Bilderfassungseinrichtung des Koordinatenmessgeräts bestimmbar ist, wobei das virtuelle Abbild (vA) in Abhängigkeit von Geometriedaten des Messobjekts und in Abhängigkeit von optischen Eigenschaften des Messobjekts erzeugbar ist, wobei das virtuelle Abbild (vA) zusätzlich in Abhängigkeit von Abbildungsparametern (uAE, vAE) der Bilderfassungseinrichtung erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das virtuelle Abbild (vA) zusätzlich in Abhängigkeit von Sensorparametern eines Bildsensors der Bilderfassungseinrichtung bestimmbar ist.