DE102014119436B4

DE102014119436B4 - Koordinatenmessgerät und Verfahren zum Bestimmen von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts unter Verwendung einer Lichtfeldkamera

Info

Publication number: DE102014119436B4
Application number: DE102014119436.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Engel; Nils Haverkamp
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2016-11-24
Anticipated expiration: 2034-12-23
Also published as: DE102014119436A1

Abstract

Koordinatenmessgerät zum Bestimmen von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts (28), mit einer Werkstückaufnahme (14) zum Platzieren des Messobjekts (28), mit einem Messkopf (20), der relativ zu der Werkstückaufnahme (14) verfahrbar ist, wobei der Messkopf (20) eine Lichtfeldkamera (42) aufweist, und mit einer Auswerte- und Steuereinheit (22), die dazu ausgebildet ist, ein erstes Bild von dem Messobjekt (28) mit Hilfe der Lichtfeldkamera (42) aufzunehmen und 3D-Koordinaten zu ausgewählten Messpunkten (44) an dem Messobjekt (28) in Abhängigkeit von dem ersten Bild zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (22) ferner dazu ausgebildet ist, den Messkopf (20) in Abhängigkeit von den 3D-Koordinaten an eine definierte Position relativ zu dem Messobjekt (28) zu verfahren, um anschließend an der definierten Position mit Hilfe des Messkopfes (20) Messwerte aufzunehmen, die die geometrischen Eigenschaften des Messobjekts (28) repräsentieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät zum Bestimmen von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts, mit einer Werkstückaufnahme zum Platzieren des Messobjekts, mit einem Messkopf, der relativ zu der Werkstückaufnahme verfahrbar ist, wobei der Messkopf eine Lichtfeldkamera aufweist, und mit einer Auswerte- und Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, ein erstes Bild von dem Messobjekt mit Hilfe der Lichtfeldkamera aufzunehmen und 3D-Koordinaten zu ausgewählten Messpunkten an dem Messobjekt in Abhängigkeit von dem ersten Bild zu bestimmen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bestimmen von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts, mit den Schritten: Platzieren des Messobjekts auf einer Werkstückaufnahme, Bereitstellen eines Messkopfes, der eine Lichtfeldkamera aufweist, Aufnehmen eines ersten Bildes von dem Messobjekt mit Hilfe der Lichtfeldkamera, und Bestimmen von 3D-Koordinaten zu ausgewählten Messpunkten an dem Messobjekt in Abhängigkeit von dem ersten Bild.
Ein solches Koordinatenmessgerät und ein solches Verfahren sind allgemein aus DE 10 2012 103 940 A1 bekannt.
Koordinatenmessgeräte werden seit vielen Jahren verwendet, um geometrische Eigenschaften von Messobjekten zu bestimmen, wie etwa die Tiefe und/oder der Durchmesser einer Bohrung, den Abstand zwischen zwei Kanten an dem Messobjekt, die Ebenheit einer Fläche oder gar die komplexe Raumform des Messobjekts, wie etwa bei einer Turbinenschaufel. Koordinatenmessgeräte besitzen typischerweise einen Messkopf, der innerhalb eines definierten Messvolumens relativ zu dem Messobjekt verfahren werden kann. Die Position des Messkopfes innerhalb des Messvolumens wird mit geeigneten Sensoren, wie z. B. optischen oder magnetischen Encodern, bestimmt. Der Messkopf trägt zumindest einen weiteren Sensor, der in der Lage ist, einen oder mehrere ausgewählte Messpunkte an dem Messobjekt zu detektieren. Aus der Position des Messkopfes innerhalb des Messvolumens und aus der Position des Messkopfes relativ zu den detektierten Messpunkten werden Koordinaten bestimmt, die die Position der Messpunkte innerhalb des Messvolumens repräsentieren. Durch Bestimmen der Koordinaten für eine Vielzahl von Messpunkten erhält man Informationen, mit deren Hilfe dann die geometrischen Eigenschaften bestimmt werden.
Die Messköpfe der bekannten Koordinatenmessgeräte können verschiedene Arten von Sensoren tragen, um die Messpunkte an einem Messobjekt zu detektieren. Häufig werden taktile Sensoren verwendet, die einen Taststift besitzen, mit dem die ausgewählten Messpunkte berührt werden. Des Weiteren gibt es berührungslose Sensoren, die die ausgewählten Messpunkte optisch oder kapazitiv detektieren. Berührungslose optische Sensoren besitzen häufig eine Kamera, die ein Bild von dem Messobjekt aufnimmt, welches anschließend mit Methoden der Bildverarbeitung analysiert wird. Zusätzlich können dedizierte Beleuchtungen und/oder bestimmte optische Effekte genutzt werden, um Messwerte zu den Messpunkten zu generieren. Einige berührungslose Messköpfe bestimmen die Position ausgewählter Messpunkte relativ zum Messkopf mit Hilfe von Triangulation, insbesondere mit einer Laserbeleuchtung, oder anhand von Fokusverfahren, bei denen die ausgewählten Messpunkte in den Fokus der bildaufnehmenden Optik gebracht werden.
Die eingangs genannte DE 10 2012 103 940 A1 schlägt die Verwendung einer sogenannten Lichtfeldkamera für den Messkopf eines Koordinatenmessgerätes vor. Synonym zu dem Begriff Lichtfeldkamera wird zum Teil auch der Begriff plenoptische Kamera verwendet. Eine Lichtfeldkamera bzw. plenoptische Kamera erfasst im Gegensatz zu einer ”normalen” Kamera nicht nur die Lichtintensität der durch eine Optik auf die einzelnen Pixel des Bildsensors auftreffenden Lichtstrahlen in 2D, sondern auch deren Richtung. Man spricht zum Teil daher von einer 4D-Erfassung des Lichtfeldes. Erreicht wird dies typischerweise dadurch, dass zwischen der ”normalen” Optik und dem Bildsensor ein Array von Mikrolinsen angeordnet wird. Aufgrund der Mikrolinsen wird das einfallende Bild (zumindest ausschnittsweise) mehrfach nebeneinander auf dem Bildsensor abgebildet, wobei die mehrfachen Abbildungen in Abhängigkeit von der Richtung der einfallenden Lichtstrahlen gegeneinander verschoben und verzerrt erscheinen. Daher ist es mit einer Lichtfeldkamera möglich, zusätzlich zu der 2D-Position eines aufgenommenen Messpunktes in der Bildebene auch noch die Entfernung zwischen dem Messpunkt und der Kamera zu bestimmen. Infolgedessen ermöglicht die Lichtfeldkamera die Bestimmung einer 3D-Koordinate zu einem oder mehreren ausgewählten Messpunkten anhand des von der Lichtfeldkamera aufgenommenen ersten Bildes.
Die eingangs genannte DE 10 2012 103 940 A1 schlägt die Verwendung der Lichtfeldkamera im Messkopf eines Koordinatenmessgerätes vor, um damit auf das Bewegen des Messkopfes in Z-Richtung, d. h. senkrecht zu der Werkstückaufnahme, verzichten zu können. Das Messobjekt soll mit Hilfe der Lichtfeldkamera aus einer im vorhinein festgelegten, konstanten Entfernung aufgenommen werden, und anschließend werden aus diesem Bild die 3D-Koordinaten zu den ausgewählten Messpunkten bestimmt. Die so gewonnenen 3D-Koordinaten sind die Messwerte, aus denen die geometrischen Eigenschaften des Messobjekts bestimmt werden. Daher ist die Messgenauigkeit, mit der die 3D-Koordinaten aus dem Bild der Lichtfeldkamera bestimmt werden können, entscheidend für die Messgenauigkeit des vorgeschlagenen Koordinatenmessgerätes.
Die Verwendung einer Lichtfeldkamera in einem Koordinatenmessgerät ist ferner aus DE 10 2014 108 353 A1 bekannt, und zwar in Kombination mit weiteren Sensoren wie insbesondere einem Bildverarbeitungssensor, einem Abstandssensor nach dem Foucault-Prinzip, einem Abstandssensor nach dem chromatischen und/oder konfokalen Prinzip, einem Abstandssensor nach dem interferometrischen Prinzip oder einem taktil-optischen Fasertaster. Das Dokument beschreibt verschiedene Kombinationen dieser Sensoren an einem Koordinatenmessgerät, wobei im Hinblick auf die Messgenauigkeit das oben Gesagte gilt.
Ein Artikel mit dem Titel ”Untersuchung zum messtechnischen Genauigkeitspotential einer Lichtfeldkamera”, veröffentlicht im Tagungsband 23/2014 der Deutsche Gesellschaft für Photogrammetrie, Fernerkundung und Geoinformation e. V., befasst sich mit der messtechnischen Leistungsfähigkeit einer Lichtfeldkamera und erläutert deren prinzipielle Funktionsweise. Der Artikel kommt zu dem Ergebnis, dass die Lichtfeldkameratechnik grundsätzlich für messtechnische Zwecke geeignet ist. Die für die Untersuchung verwendete Kamera ermöglichte bei einer Entfernung von bis zu 50 cm eine Standardabweichung von ca. 3,5 mm bei einer Ebenheitsmessabweichung von ca. 25 mm.
Der Aufbau der bekannten Lichtfeldkameras mit einem Mikrolinsenarray vor dem 2D-Bildsensor ähnelt dem Aufbau des sog. Hartmann-Shack-Wellenfrontsensors. Dieser bekannte Sensor dient dazu, die sog. Wellenfront einer elektromagnetischen Welle zu vermessen. Dies beinhaltet nicht nur die Bestimmung der Amplitudenverteilung der einfallenden Wellenfront, sondern auch die Bestimmung der Phasenlage an jedem Punkt der Wellenfront. Ein entsprechendes Verfahren der Phasenrekonstruktion ist in einem Artikel mit dem Titel ”Phase retrieval as a means of wavefront sensing” von R. G. Lane und R. Irwan diskutiert, der in einem Tagungsband der IEEE International Conference on Image Processing von 1997 veröffentlicht wurde.
Weitere Beschreibungen in Bezug auf die Funktionsweise einer Lichtfeldkamera finden sich in DE 10 2012 005 152 A1 , einer Publikation mit dem Titel ”The Plenoptic Camera as a wavefront sensor for the European Solar Telescope (EST)” aus dem Jahr 2009 in Proceedings of SPIE und einer Publikation mit dem Titel ”Optimal design and critical analysis of a high-resolution video plenoptic demonstrator”, erschienen im Journal of Electronic Imaging in 2012.
Vor diesem Hintergrund ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Koordinatenmessgerät und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, die auf effiziente Weise eine höhere Messgenauigkeit ermöglichen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Koordinatenmessgerät der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Auswerte- und Steuereinheit ferner dazu ausgebildet ist, den Messkopf in Abhängig von den 3D-Koordinaten an eine definierte Position relativ zu dem Messobjekt zu verfahren, um anschließend an der definierten Position mit Hilfe des Messkopfes Messwerte aufzunehmen, die die geometrischen Eigenschaften des Messobjekts repräsentieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, mit den weiteren Schritten: Verfahren des Messkopfes an eine definierte Position relativ zu dem Messobjekt in Abhängigkeit von den 3D-Koordinaten und Erfassen von Messwerten, die die geometrischen Eigenschaften des Messobjekts repräsentieren, an der definierten Position mit Hilfe des Messkopfes.
Das neue Koordinatenmessgerät und das neue Verfahren verwenden somit eine Lichtfeldkamera innerhalb des Messablaufs. Die mit Hilfe der Lichtfeldkamera bestimmten 3D-Koordinaten von ausgewählten Messpunkten dienen hiernach allerdings vor allem der Vorbereitung der eigentlichen Messung, die in einem nachfolgenden zweiten Schritt erfolgt. Erst die im zweiten Schritt mit Hilfe des Messkopfes aufgenommenen Messwerte repräsentieren die geometrischen Eigenschaften des Messobjekts, die mit Hilfe des neuen Koordinatenmessgerätes und Verfahrens bestimmt werden. In einigen vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung können die mit Hilfe der Lichtfeldkamera bestimmten 3D-Koordinaten zusätzlich auch noch im zweiten Schritt, d. h. bei der Bestimmung derjenigen Messwerte verwendet werden, die die geometrischen Eigenschaften des Messobjekts repräsentieren.
Die Auswerte- und Steuereinheit des neuen Koordinatenmessgerätes und das entsprechende Verfahren beinhalten insbesondere, dass der Messkopf in Abhängigkeit von den 3D-Koordinaten, die mit Hilfe der Lichtfeldkamera bestimmt wurden, auch in Z-Richtung verfahren wird, um den Messkopf in eine optimale Position für die nachfolgende Aufnahme der repräsentativen Messwerte zu bringen. Mit anderen Worten dient die Lichtfeldkamera am Messkopf des neuen Koordinatenmessgerätes und Verfahrens vorteilhaft dazu, den Messkopf in eine günstige Position – und bevorzugt in eine optimale Position – relativ zu dem Messobjekt zu bringen, um dann aus dieser Position heraus diejenigen Messwerte aufzunehmen, die zur Bestimmung der geometrischen Eigenschaften des Messobjekts ausgewertet und verarbeitet werden. Vorteilhafterweise kann mit Hilfe der Lichtfeldkamera und der damit bestimmten 3D-Koordinaten eine Kollision des Messkopfes mit dem Messobjekt beim Heranfahren an die optimale Position gerade auch in einem automatisierten Messablauf zuverlässig verhindert werden. Dementsprechend ist die Auswerte- und Steuereinheit in bevorzugten Ausgestaltungen vorteilhaft dazu ausgebildet, mit Hilfe der 3D-Koordinaten eine Bewegungsbahn zum Anfahren der definierten (und bevorzugt optimalen) Messposition zu bestimmen, wobei die Bewegungsbahn so gewählt ist, dass eine Kollision des Messkopfes mit dem Messobjekt gezielt verhindert wird.
Die mit Hilfe der 3D-Koordinaten bestimmte Position des Messkopfes für die danach erfolgende Messwertaufnahme ermöglicht darüber hinaus eine hohe Messgenauigkeit, weil es aufgrund der zuvor bestimmten 3D-Koordinaten möglich ist, einen optimalen Arbeitsabstand und/oder einen optimalen Blickwinkel des Messkopfes auf diejenigen Bereiche des Messobjekts einzunehmen, von denen die Messwerte für die Bestimmung der geometrischen Eigenschaften aufgenommen werden sollen. Die Aufnahme der zuletzt genannten Messwerte erfolgt in einigen vorteilhaften Ausgestaltungen mit einem anderen Sensor, bspw. mit einem Tiefensensor und/oder mit einem Triangulationssensor. Vorteilhafterweise dient die Lichtfeldkamera somit vor allem der optimalen und kollisionsfreien Positionierung des weiteren Sensors. Dieser kann aufgrund seiner optimalen Positionierung dann Messwerte mit maximaler Genauigkeit liefern.
Alternativ oder ergänzend kann die Aufnahme der Messwerte an der definieren Position in anderen Ausgestaltungen mit Hilfe der Lichtfeldkamera erfolgen, wie dies weiter unten anhand von einigen Ausführungsbeispielen beschrieben ist. Auch in diesem Fall sorgt eine optimierte Positionierung des Messkopfes relativ zu dem Messobjekt dafür, dass eine höhere Messgenauigkeit im Vergleich zu einem insbesondere in Z-Richtung starren Messkopf erreicht wird.
Bevorzugt erfolgt die Bestimmung der 3D-Koordinaten in Abhängigkeit von dem ersten Bild der Lichtfeldkamera im Rahmen eines vordefinierten automatisierten Messablaufs, der in einem Messprogramm gespeichert sein kann, gewissermaßen also in Echtzeit und besonders vorteilhaft unmittelbar vor und/oder während der Messkopf relativ zu dem Messobjekt verfahren wird. Dies macht es möglich, die Bewegungsbahn des Messkopfes relativ zu dem Messobjekt beim Anfahren der definierten Position auch in Bezug auf kurze Wege und kurze Gesamtmesszeiten zu optimieren.
Insgesamt verwenden das neue Koordinatenmessgerät und Verfahren eine Lichtfeldkamera somit in vorteilhafter Weise zur Optimierung eines automatisierten Messablaufs, wobei die Messgenauigkeit im Vergleich zu dem eingangs diskutierten Stand der Technik auf sehr effiziente Weise erhöht ist, indem mit Hilfe der Lichtfeldkamera zunächst eine optimale Messposition bestimmt und angefahren wird. Erst im Anschluss daran erfolgt die Aufnahme der Messwerte zur Bestimmung der geometrischen Eigenschaften des Messobjekts, wobei hier vorteilhafterweise weitere Sensoren zur Anwendung kommen können, die aufgrund der optimalen Positionierung und/oder aufgrund anderer physikalischer Messprinzipien eine hohe Messgenauigkeit erlauben. Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerte- und Steuereinheit dazu ausgebildet, die Messwerte anhand eines 2D-Bildes von dem Messobjekt zu bestimmen, das an der definierten Position aufgenommen wird. In einigen Varianten dieser Ausgestaltung wird das 2D-Bild von dem Messobjekt mit einer zweiten Kamera aufgenommen, die vorteilhaft zusammen mit der Lichtfeldkamera an den Messkopf angeordnet ist. Für eine kompakte Realisierung ist es von Vorteil, wenn die Lichtfeldkamera und die zweite Kamera zumindest teilweise dieselbe Optik verwenden, was dadurch erreicht werden kann, dass die Optik einen Strahlteiler aufweist, wie zum Beispiel einen semitransparenten Spiegel. In anderen Varianten wird das 2D-Bild mit Hilfe der Lichtfeldkamera aufgenommen, wobei die Intensitätswerte aus den Pixeln der 2D-Bildsensors in einem sog. Binning-Modus ausgelesen und verarbeitet werden. Binning-Modus bedeutet in diesem Fall, dass Intensitätswerte von Pixeln, die zusammen ein Subarray hinter jeweils einer Mikrolinse bilden, gewichtet oder ungewichtet addiert und/oder gemittelt werden, um auf diese Weise eine richtungsunabhängige 2D-Bildinformation zu erhalten.
In dieser Ausgestaltung erfolgt die Aufnahme der Messwerte für die Bestimmung der geometrischen Eigenschaften des Messobjekts in einer Weise, die sich im Bereich der Koordinatenmesstechnik vielfach bewährt hat. Dementsprechend können das Koordinatenmessgerät und das Verfahren dieser Ausgestaltung auf bewährte Algorithmen zur Bestimmung der geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts zurückgreifen, was eine sehr effiziente, kostengünstige und genaue Messung ermöglicht. Dies gilt gerade auch für den Fall, dass die Messwerte an der definierten Position mit Hilfe der Lichtfeldkamera aufgenommen werden, indem die Pixelwerte der Lichtfeldkamera im Binning-Modus ausgelesen werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Abtastung des Bildes mit den Mikrolinsen als Apertur nahe an der physikalisch technischen Auflösung ist und die Bereiche des Binning dann eine Überabtastung darstellen, die einer Bestimmung der Einfallsrichtung des Lichtes dienen. Dadurch wird mehr Information generiert und zudem beim Binning das Ausleserauschen der Pixelwerte über die Wurzel der im Binning gemittelten Pixel reduziert. Das wirkt dem Effekt entgegen, dass sehr kleine Pixel in Kameras prinzipbedingt ein höheres intrinsisches Rauschen haben. Dementsprechend besitzen die Mikrolinsen in einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen, die auch separat von der vorliegenden Erfindung eine vorteilhafte Weiterbildung des Standes der Technik darstellen, einen Radius oder allgemeiner eine laterale Abmessung, die in etwa gleich der lateralen Auflösung der vor den Mikrolinsen angeordneten Optik ist, und die lateralen Abmessungen der Pixel sind um einen Faktor > 2 kleiner als die lateralen Abmessungen der Mikrolinsen. Vorteilhaft ist beispielsweise, wenn ein Pixelarray von 3×3, 5×5, 7×7 oder 9×9 in etwa dieselben lateralen Abmessungen hat wie eine Mikrolinse.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Auswerte- und Steuereinheit dazu ausgebildet, einen optimierten Arbeitsabstand zwischen dem Messkopf und dem Messobjekt anhand der 3D-Koordinaten zu bestimmen, wobei die definierte Position den optimierten Arbeitsabstand repräsentiert. Besonders bevorzugt verwenden das neue Koordinatenmessgerät und das neue Verfahren in dieser Ausgestaltung einen Tiefensensor, insbesondere einen konfokalen Weißlichtsensor, der für verschiedene Lichtwellenlängen verschiedene Fokuspunkte aufweist, oder einen auf der Auswertung von Bildkontrasten beruhenden Kamerasensor zur Aufnahme der Messwerte an der definierten Position.
In dieser Ausgestaltung wird die Lichtfeldkamera vorteilhafterweise dazu genutzt, den eigentlichen Messsensor mit einem möglichst günstigen Arbeitsabstand zu dem Messobjekt zu positionieren. Die Wahl des günstigsten Arbeitsabstandes ist vor allem bei Messobjekten von großer Bedeutung, die tiefe Einschnitte, Löcher, Nuten oder dergleichen besitzen, weil hier Messpunkte, die in lateraler Richtung eng benachbart sind, in vertikaler Richtung weit auseinanderliegen können. Die Verwendung einer Lichtfeldkamera zur Bestimmung einer optimierten Messposition des Messkopfes ermöglicht hier auf besonders einfache und effiziente Weise eine hohe Messgenauigkeit.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Auswerte- und Steuereinheit dazu ausgebildet, einen optimierten Blickwinkel von dem Messkopf auf das Messobjekt anhand der 3D-Koordinaten zu bestimmen, wobei die definierte Position den optimierten Blickwinkel repräsentiert.
In dieser Ausgestaltung weist das Koordinatenmessgerät vorteilhafterweise ein Dreh-/Schwenk-Gelenk auf, über das der Messkopf an einer tragenden Struktur des Koordinatenmessgerätes befestigt ist. Das Dreh-/Schwenkgelenk kann mit dem Messkopf zu einem integrierten, schwenkbaren Messkopf verbunden sein. Prinzipiell ist es auch denkbar, dass das Messobjekt mit Hilfe einer verschwenkbaren Werkstückaufnahme relativ zu dem Messobjekt verkippt werden kann, um den Blickwinkel des Messkopfes auf ausgewählte Messpunkte an dem Messobjekt zu variieren.
In einigen Varianten wird die Orientierung des Messkopfes so gewählt, dass der zu vermessende Bereich möglichst zentral im Blickfeld des Optik liegt und quer, möglichst orthogonal zu der optischen Achse der Kamera liegt. Alternativ oder ergänzend kann die die Orientierung des Messkopfes bei der Vermessung von Schrägen oder Fasen so gewählt sein, dass störende Reflexe im Kamerabild gezielt beseitigt werden. Wenn der Messkopf zusätzlich zu der Lichtfeldkamera einen taktilen Sensor trägt, kann der optimierte Blickwinkel gezielt so gewählt werden, dass der taktile Sensor Hinterschnitte erreichen kann und/oder Schaftantastungen vermieden werden.
Die Ausgestaltung nutzt die Lichtfeldkamera in vorteilhafter Weise, um vor der eigentlichen Messung einen möglichst günstigen Blickwinkel des Messkopfes auf die ausgewählten Messpunkte zu erhalten. Vorteilhafterweise beinhaltet der Messkopf in einigen Varianten dieser Ausgestaltung einen Triangulationssensor zum Aufnehmen der Messwerte, die die geometrischen Eigenschaften des Messobjekts repräsentieren. Alternativ oder ergänzend kann der Messkopf auch in dieser Ausgestaltung einen Tiefensensor oder einen anderen berührungslosen oder taktilen Sensor zur Aufnahme der Messwerte besitzen. Ein optimierter Blickwinkel in Abhängigkeit von zuvor bestimmten 3D-Koordinaten des Messobjekts trägt ebenfalls zu einer hohen Messgenauigkeit bei. Darüber hinaus kann die Lichtfeldkamera gerade in dieser Ausgestaltung vorteilhaft zur Vermeidung von Kollisionen beitragen.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Messkopf einen Musterprojektor auf, der dazu ausgebildet ist, ein definiertes Lichtmuster mit einer Vielzahl von voneinander beabstandeten Lichtfiguren auf dem Messobjekt zu erzeugen. In einigen vorteilhaften Varianten dieser Ausgestaltung beinhalten die Lichtfiguren Lichtstreifen auf dem Messobjekt.
In dieser Ausgestaltung besitzt das Koordinatenmessgerät zusätzlich zu der Lichtfeldkamera die Fähigkeit, die Messwerte für die Bestimmung der geometrischen Eigenschaften mit Hilfe von Lichtfiguren zu bestimmen, die auf dem Messobjekt erzeugt werden. Die Lichtfiguren können aus einer Position, die relativ zu dem Messkopf bekannt ist, projiziert werden, so dass die Messwerte anhand von Triangulationsbeziehungen bestimmt werden können. Alternativ oder ergänzend können die Lichtfiguren deflektometrisch ausgewertet werden. Dabei kommt es vor allem auf die relativen Veränderungen der Lichtfiguren in einer Reihe von Bildern an, die aus verschiedenen Positionen aufgenommen werden. In einigen vorteilhaften Varianten dient der 2D-Bildsensor der Lichtfeldkamera zum Aufnehmen der Bilder von dem Messobjekt mit den Lichtfiguren. In anderen Varianten kann eine weitere Kamera zur Aufnahme des Messobjekts mit den Lichtfiguren am Messkopf angeordnet sein.
Ein Messkopf mit einem Musterprojektor ermöglicht eine sehr genaue Vermessung von Objekten, deren Oberflächen nur schwache Kontraste bietent. Mit Hilfe der Lichtfeldkamera ist es vorteilhafterweise möglich, die voneinander beabstandeten Lichtfiguren/Lichtstreifen anhand der 3D-Koordinaten voneinander zu unterscheiden. Die Lichtfeldkamera liefert hier nicht nur in Vorbereitung der eigentlichen Messung Informationen für eine günstige Positionierung des Messkopfes, sondern wird in bevorzugten Ausführungsbeispielen auch bei der Aufnahme der eigentlichen Messwerte verwendet, um auf einfache und effiziente Weise eindeutige Messwerte zu erhalten. Darüber hinaus ermöglicht die Lichtfeldkamera einen kleineren Triangulationswinkel zwischen dem Musterprojektor und dem Bildsensor zur Aufnahme der Lichtfiguren auf dem Messobjekt, was besonders vorteilhaft ist, um bspw. in einem Bohrloch Messpunkte mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Auswerte- und Steuereinheit dazu ausgebildet, eine definierte Lichtfigur aus der Vielzahl von voneinander beabstandeten Lichtfiguren anhand der 3D-Koordinaten zu identifizieren.
Diese Ausgestaltung macht von der bereits angesprochenen Möglichkeit vorteilhaft Gebrauch. Die Lichtfeldkamera liefert Informationen, mit deren Hilfe sich eine Lichtfigur aus der Vielzahl der Lichtfiguren leichter von den übrigen Lichtfiguren unterscheiden lässt, um eine eindeutige und genaue Bestimmung der geometrischen Eigenschaften des Messobjekts zu ermöglichen.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Messkopf ferner einen Tiefensensor auf, insbesondere einen konfokalen Tiefensensor, der ein wellenlängenabhängige Fokuslage auswertet, wobei die Auswerte- und Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Messwerte an der definierten Position mit Hilfe des Tiefensensors aufzunehmen.
In dieser Ausgestaltung kombinieren das neue Koordinatenmessgerät und das neue Verfahren die Lichtfeldkamera mit einem Tiefensensor, der vorteilhafterweise eine definierte chromatische Längsaberration der bildaufnehmenden Optik verwendet, um eine Entfernung zwischen dem Tiefensensor und einem ausgewählten Messpunkt mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Ein solcher Tiefensensor ermöglicht eine sehr hohe Messgenauigkeit, die aber häufig mit einem geringen Arbeitsbereich einhergeht. Durch die Kombination mit der Lichtfeldkamera und die 3D-Koordinaten kann das Messobjekt optimal im Arbeitsbereich des Tiefensensors positioniert werden.
In einigen Ausführungsbeispielen ermöglicht diese Ausgestaltung, dass ein zu vermessendes Werkstück in dem Messvolumen des Koordinatenmessgerätes platziert wird und die Auswerte- und Steuereinheit ist in der Lage, mit Hilfe der Lichtfeldkamera weitere Sensoren relativ zum Werkstück so zu positionieren, dass diese Sensoren im optimalen Arbeitsbereich die Messung durchführen können. Vorteilhaft besitzt die Auswerte- und Steuereinheit in einigen Ausführungsbeispielen eine Datenbank, in der verschiedene Messprogramme für eine automatische Vermessung von verschiedenen definierten Werkstücken gespeichert sind. Die Auswerte- und Steuereinheit ist dazu ausgebildet, das zu vermessende Werkstück anhand der Bilder der Lichtfeldkamera und der Datenbank zu identifizieren, dessen Position im Messvolumen zu bestimmen und ein Messprogramm aus der Datenbank auszuwählen, um eine vollautomatische Vermessung des Werkstücks durchzuführen. Dies macht es möglich, auf manuelles Bestücken und manuelles Einmessen eines Koordinatensystems zu verzichten. Vorteilhaft wird die individuelle Orientierung des Werkstücks im Messvolumen über die geometrische Erfassung mit der Lichtfeldkamera bestimmt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Auswerte- und Steuereinheit dazu ausgebildet, eine Oberflächenneigung des Messobjekts anhand der 3D-Koordinaten zu bestimmen.
Diese Ausgestaltung nutzt in vorteilhafter Weise die Informationen von der Lichtfeldkamera, um die Neigung der Oberfläche eines Messobjekts auf einfache und effiziente Weise zu bestimmen. Die Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft in Ergänzung zu einem weiteren Sensor an dem Messkopf, der vor allem dazu ausgebildet ist, die Koordinaten von einzelnen Messpunkten mit hoher Messgenauigkeit zu bestimmen.
Dementsprechend ermöglicht diese Ausgestaltung auf sehr effiziente Weise eine großflächige oder sogar vollständige Vermessung eines Messobjekts mit lokal erhöhter Messgenauigkeit an kritischen Messpunkten.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Auswerte- und Steuereinheit dazu ausgebildet, anhand der 3D-Koordinaten ein zweites Bild zu berechnen, das einen im Vergleich zu dem ersten Bild vergrößerten Schärfentiefebereich (Extended Depth of Field) besitzt. In bevorzugten Varianten dieser Ausgestaltung ist der gesamte sichtbare Ausschnitt des Messobjekts in dem zweiten (berechneten) Bild scharf dargestellt. Mit anderen Worten ist die Auswerte- und Steuereinheit dieser Ausgestaltung in der Lage, anhand der 3D-Koordinaten ein zweites Bild zu berechnen, das einen praktisch unbegrenzten Schärfentiefebereich besitzt.
Diese Ausgestaltung macht in vorteilhafter Weise von den Fähigkeiten der Lichtfeldkamera Gebrauch, indem die 3D-Informationen dazu verwendet werden, um ein Bild des Messobjekts zu berechnen, das für eine nachfolgende Bildauswertung hervorragend geeignet ist, weil es keine unscharfen Bereiche enthält. Die Bestimmung von geometrischen Eigenschaften des Messobjekts anhand eines solchen Bildes ist mit bekannten Methoden der Bildanalyse, wie etwa Kantendetektion und Segmentierung, mit einer besonders hohen Genauigkeit möglich.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Lichtfeldkamera einen 2D-Bildsensor mit einer Vielzahl von Pixeln und ein objektseitig vor dem 2D-Bildsensor angeordnetes Mikrolinsenarray auf, welches die Vielzahl von Pixeln in Pixelarrays untergliedert.
Eine solche Anordnung eines Mikrolinsenarrays vor einem 2D-Bildsensor ist eine kostengünstige Möglichkeit zur praktischen Realisierung einer Lichtfeldkamera. Prinzipiell ist die Aufnahme eines Lichtfeldes, das die Intensität und Richtung der einfallenden Lichtstrahlen repräsentiert, jedoch auch auf andere Weise möglich. Die Unterteilung des 2D-Bildsensors in Pixelarrays bietet darüber hinaus die Möglichkeit, gleichartige Bildeffekte in den Pixelarrays zu identifizieren und zur rechnerischen Bildkorrektur zu verwenden. In einigen vorteilhaften Ausgestaltungen ist die Auswerte- und Steuereinheit dazu ausgebildet, das erste Bild mit Hilfe der Lichtfeldkamera aufzunehmen, während der Messkopf mit der Lichtfeldkamera relativ zu dem Messobjekt bewegt wird. Die während der Bildaufnahme zurückgelegte Wegstrecke führt zu einer Bewegungsunschärfe, die sich trotz unterschiedlicher Einfallsrichtung der Lichtstrahlen in allen Pixelarrays auswirkt. In den bevorzugten Ausgestaltungen führt die Auswerte- und Steuereinheit mit Hilfe eines Vergleichs der mit den Pixelarrays aufgenommenen Bildanteile eine rechnerische Bildkorrektur aus, um die Bewegungsunschärfe zu reduzieren. Dementsprechend trägt auch diese Ausgestaltung zu einer Erhöhung der Messgenauigkeit bei.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Mikrolinsenarray eine Vielzahl von Mikrolinsen auf, die jeweils einen definierten chromatischen Längsfehler besitzen. Ferner besitzt das Koordinatenmessgerät eine Lichtquelle, die dazu ausgebildet ist, das Messobjekt wahlweise mit Licht unterschiedlicher Farbe zu beleuchten. Die Auswerte- und Steuereinheit ist vorteilhafterweise dazu ausgebildet, das Messobjekt sequentiell mit Licht unterschiedlicher Farbe zu beleuchten, um eine Serie von ersten Bildern mit der Lichtfeldkamera aufzunehmen.
Da die chromatischen Aberrationen der Mikrolinsen in Abhängigkeit von der verwendeten Lichtfarbe zu unterschiedlichen Abbildungen auf dem 2D-Bildsensor führen, ermöglicht diese Ausgestaltung in vorteilhafter Weise eine Vergrößerung des Mess- und Arbeitsbereichs des neuen Koordinatenmessgerätes. Ferner ermöglicht eine Kombination der Ergebnisse aus den Messungen mit unterschiedlicher Beleuchtungsfarbe und folglich unterschiedlicher Abbildungseigenschaft eine erhöhte Messgenauigkeit.
In einer weiteren Ausgestaltung besitzen die Pixelarrays jeweils eine Kantenlänge mit einer ungeraden Anzahl an Pixeln.
Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, weil damit jedes Pixelarray ein zentrales Pixel besitzt, das vorteilhafterweise auf der optischen Achse der zugeordneten Mikrolinse angeordnet ist. Die Ausgestaltung erhöht die Qualität eines 2D-Bildes, das mit Hilfe der Lichtfeldkamera durch eine Auswertung im Binning-Modus bestimmt werden kann. Ein derartiges 2D-Bild kann vorteilhafterweise mit Hilfe von bekannten und etablierten Methoden der Bildauswertung und -analyse verarbeitet werden, um die geometrischen Eigenschaften des Messobjekts zu bestimmen.
Alternativ oder ergänzend ist es in weiteren Ausgestaltungen möglich, dass das Mikrolinsenarray wahlweise in den Strahlengang der bildaufnehmenden Optik zum 2D-Bildsensor eingeschwenkt wird, um wahlweise ein 2D-Bild mit hoher Auflösung oder ein erstes Bild aufzunehmen, das 3D-Informationen beinhaltet.
In einer weiteren Ausgestaltung besitzt das Koordinatenmessgerät ein Blendengitter mit Stegen, die Übergänge von einer Mikrolinse zur nächsten Mikrolinse in dem Mikrolinsenarray überdecken.
Mit dieser Ausgestaltung lassen sich in vorteilhafter Weise Streulichteffekte bzw. Übersprechen von einem Pixelarray zum nächsten Pixelarray reduzieren. Infolgedessen trägt diese Ausgestaltung vorteilhaft dazu bei, um die Messgenauigkeit beim Bestimmen der 3D-Koordinaten mit Hilfe der Lichtfeldkamera zu erhöhen.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Lichtfeldkamera ein telezentrisches Objektiv auf.
Ein telezentrisches Objektiv zeichnet sich dadurch aus, dass die sog. Eintrittspupille und/oder die Austrittspupille im Unendlichen liegt. Besonders vorteilhaft ist ein beidseitig telezentrisches Objektiv, bei dem sowohl die Eintrittspupille als auch die Austrittspupille im Unendlichen liegen. Telezentrische Objektive sind als solche für Anwendungen im Bereich der optischen Messtechnik prinzipiell bekannt. Entgegen bisheriger Erwartungen ist ein telezentrisches Objektiv auch innerhalb des Telezentriebereichs mit einer Lichtfeldkamera vorteilhaft nutzbar, obwohl durch die Telezentrie ein unabhängig von der Entfernung des Messobjekts gleichbleibendes Bild von dem Messobjekt entsteht. Da die Lichtfeldkamera gerade dazu dient, die Entfernung eines Messpunktes relativ zu der Kamera zu bestimmen, war nicht von vornherein zu erwarten, dass eine Lichtfeldkamera auch mit einem telezentrischen Objektiv vorteilhaft anwendbar ist. Eingehende Analysen der Anmelderin haben nun jedoch das Gegenteil und sogar eine besondere Eignung gezeigt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Auswerte- und Steuereinheit für die Lichtfeldkamera einen individuellen Satz an Kalibrierdaten beinhaltet, der separat und unabhängig von Kalibrierdaten für das telezentrische Objektiv ist. Mit anderen Worten verwendet das neue Koordinatenmessgerät in einigen vorteilhaften Ausgestaltungen separate Kalibrierdaten für die Lichtfeldkamera einerseits und für das telezentrische Objektiv andererseits, weil dies auf effiziente Weise eine genaue Kalibrierung des Gesamtsystems vereinfacht.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Auswerte- und Steuereinheit ferner dazu ausgebildet, eine Wellenfront des mit der Lichtfeldkamera aufgenommenen Lichts zu berechnen. Vorteilhaft verwendet die Auswerte- und Steuereinheit für die Berechnung der Wellenfront einen iterativen Algorithmus, bei dem die Informationen aus dem ersten Bild a-priori Startwerte liefern, mit denen die Konvergenz des iterativen Algorithmus verbessert und die Anzahl der Iterationsschritte vorteilhaft reduziert wird. Insbesondere kann in einigen Ausgestaltungen eine Best-Fokus-Fläche bestimmt werden, die der Oberfläche des Messobjekts entspricht. Beispielsweise kann man annehmen, dass eine ebene metallische Fläche an einem Messobjekt eine Reflexion erzeugt, deren Wellenfront in den Bereichen, die von der ebenen Fläche ausgehen, weitgehend homogene Eigenschaften aufweist. Mit Hilfe der 3D-Koordinaten aus dem ersten Bild kann man die Position und Orientierung der ebenen Fläche vorab grob bestimmen, um daran anschließend die Wellenfront mit einem bekannten Phasenrekonstruktionsalgorithmus (Phase Retrieval) zu bestimmen. Die so bestimmte Wellenfront ist mit hoher Genauigkeit repräsentativ für die Eigenschaften des Messobjekts.
Für gute Messergebnisse liefert die Lichtfeldkamera Tiefeninformationen, die vorteilhafterweise einem vergleichsweise groben Raster von Stützstellen entsprechen und zusammen mit lateral hochauflösenden 2D Bildern aus einem zusätzlichen Fokusstapel ausgewertet werden. Dabei liefert der Fokusstapel die laterale Information und die Tiefeninformation aus der Lichtfeldkamera liefert – ggf. mit Interpolation – über die Beziehung Tiefe/Wellenlänge·2Pi eine Phaseninformation. Diese Phaseninformation wird vorteilhaft im Prozess des Phase-Unwrapping genutzt, der notwendig ist, weil der Iterationsalgorithmus nur Phasenwerte im Bereich zwischen 0 und 2Pi liefern kann. Dementsprechend wird mit Hilfe der 3D Koordinaten aus dem Bild der Lichtfeldkamera eine eindeutige Lösung bei der Phasenrekonstruktion erleichtert.
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 ein Ausführungsbeispiel des neuen Koordinatenmessgerätes,
2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Details des Koordinatenmessgerätes aus 1,
3 eine schematische Aufsicht auf den Bildsensor der Lichtfeldkamera aus dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2, und
4 eine vereinfachte Darstellung für ein Ausführungsbeispiel eines Messkopfes mit Lichtfeldkamera und Musterprojektor.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel des neuen Koordinatenmessgerätes in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Das Koordinatenmessgerät 10 besitzt eine Basis 12, auf der eine Werkstückaufnahme 14, die hier in Form eines Kreuztisches realisiert ist, verfahrbar gelagert ist. Die Werkstückaufnahme 14 besitzt ein Unterteil, das über erste Führungsschienen in einer ersten Richtung verfahrbar ist, die hier als Y-Richtung bezeichnet ist. Auf dem Unterteil ist ein Oberteil auf Führungsschienen gelagert, die eine Bewegung des Oberteils in einer zweiten Richtung ermöglichen. Die zweite Richtung ist hier als X-Richtung bezeichnet.
Das Koordinatenmessgerät 10 besitzt hier ferner eine Säule 16, an der eine Pinole 18 in einer dritten Richtung verfahrbar gelagert ist. Die dritte Richtung ist hier als Z-Richtung bezeichnet und verläuft orthogonal zu einer Ebene, die von der X- und Y-Richtung aufgespannt wird. Wie man in 1 erkennen kann, ist die X-Y-Ebene hier eine Horizontalebene und die Bewegung der Pinole 18 erfolgt in vertikaler Richtung.
Am unteren freien Ende der Pinole 18 ist ein Messkopf 20 angeordnet, dessen Details weiter unten mit Bezug auf 2 näher erläutert werden. Die Bezugsziffer 22 bezeichnet eine Auswerte- und Steuereinheit, die einerseits in der Lage ist, die Bewegungen des Koordinatenmessgerätes 10 in Abhängigkeit von einem vordefinierten Messprogramm automatisiert zu steuern. Andererseits ist die Auswerte- und Steuereinheit 22 in der Lage, Messwerte aufzunehmen und auszuwerten. Die Messwerte können einerseits von Positionsgebern (hier nicht dargestellt) stammen und sind dann für die jeweilige Position der Werkstückaufnahme 14 und der Pinole 18 repräsentativ. Anderseits können die Messwerte von dem Messkopf 20 stammen und somit die Position ausgewählter Messpunkte relativ zu dem Messkopf 20 repräsentieren.
Das hier gezeigte Koordinatenmessgerät 10 ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für ein Koordinatenmessgerät mit einem berührungslos arbeitenden Messkopf 20. Alternativ hierzu könnte das Koordinatenmessgerät in weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung einen anderen strukturellen Aufbau haben, bspw. eine Portal- oder Brückenstruktur. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das Koordinatenmessgerät 10 ein sog. Multisensorik-Gerät, bei dem der Messkopf 20 mehrere Sensoren tragen kann, um Messpunkte an einem Messobjekt (hier nicht dargestellt) zu detektieren. Beispielsweise besitzt das Koordinatenmessgerät 10 in diesem Ausführungsbeispiel einen Messkopf 20, der sowohl einen optischen Sensor mit einer Lichtfeldkamera (siehe 2) als auch einen taktilen Sensor 24 beinhaltet. In einigen Ausführungsbeispielen besitzt das Koordinatenmessgerät ein Dreh-Schwenk-Gelenk (hier nicht dargestellt), mit dem der Messkopf 20 und/oder ein am Messkopf 20 angeordneter Sensor um eine oder zwei Drehachsen gedreht oder geschwenkt werden kann. Ein solches Dreh-Schwenk-Gelenk wird bspw. unter der Bezeichnung RDS von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung für Koordinatenmessgeräte in Portalbauweise und Brückenbauweise angeboten.
In 2 ist in einer vereinfachten, schematischen Darstellung ein Messobjekt 28 dargestellt, das auf der Werkstückaufnahme 14 liegt. Bezugsziffer 30 bezeichnet einen Objektivkörper, in dem eine telezentrische Optik 32 angeordnet ist. Auf der vom Messobjekt 28 bzw. der Werkstückaufnahme 14 abgewandten Seite der Optik 32 ist ein Bildsensor 34 angeordnet, der eine Vielzahl von Pixeln 36 in einem zweidimensionalen Array aufweist. Zwischen der telezentrischen Optik 32 und dem Bildsensor 34 ist ein Array mit Mikrolinsen 38 angeordnet. Vor dem Mikrolinsenarray ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Blendengitter 40 angeordnet, dessen Stege jeweils im Bereich des Übergangs von einer Mikrolinse 38 zur nächsten liegen, um die Übergänge von einer Mikrolinse 38 zur nächsten zu überdecken.
Der 2D-Bildsensor 34 bildet hier zusammen mit dem Mikrolinsenarray eine Lichtfeldkamera 42. Die telezentrische Optik 32 kann Bestandteil der Lichtfeldkamera 42 sein. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Optik 32 jedoch eine Wechseloptik sein, die wahlweise mit der Lichtfeldkamera 42 kombiniert wird und gegen andere Optiken ausgetauscht werden kann.
Wie mit einem Blockpfeil angedeutet, ist der Bildsensor 34 mit dem Auswerteteil 22b der Auswerte- und Steuereinheit 22 gekoppelt, so dass der Auswerteteil 22b die Pixelwerte der Pixel 36 auslesen und auswerten kann. Insbesondere ist der Auswerteteil 22b dazu ausgebildet, aus den Pixelwerten der Pixel 36, die zusammen ein erstes Bild ergeben, 3D-Koordinaten zu ausgewählten Messpunkten 44 an dem Messobjekt 28 zu bestimmen. Die 3D-Koordinaten repräsentieren die räumliche Position eines ausgewählten Messpunktes 44 in Bezug auf ein definiertes Koordinatensystem des Koordinatenmessgerätes 10. Vorteilhaft kann das Koordinatensystem parallel zu den Bewegungsachsen X, Y, Z des Koordinatenmessgerätes 10 aufgespannt sein.
Der Steuerteil 22a der Auswerte- und Steuereinheit 22 ist dazu ausgebildet, den Messkopf 20 in Abhängigkeit von den mit Hilfe der Lichtfeldkamera 42 bestimmten 3D-Koordinaten in eine definierte Position relativ zu dem Messobjekt 28 zu verfahren. Dazu kann der Steuerteil 22a sowohl die Werkstückaufnahme 14 entlang der Bewegungsrichtungen X und Y als auch den Messkopf 20 entlang der Bewegungsrichtung Z verfahren. Vorteilhafterweise kann der Steuerteil 22a auf diese Weise einen optimalen Arbeitsabstand 46 zwischen dem Messkopf 20 und dem Messobjekt 28 einstellen. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Messkopf 20 verschwenkbar an der Pinole eines Koordinatenmessgerätes befestigt sein, was durch einen Doppelpfeil 48 symbolisiert ist. In diesen Fällen kann die Auswerte- und Steuereinheit den Blickwinkel des Messkopfes 20 auf das Messobjekt in Abhängigkeit von den 3D-Koordinaten variieren und optimal einstellen. Vorzugsweise ist der Messkopf 20 um zwei orthogonale Achsen verschwenkbar an der Pinole eines Koordinatenmessgerätes befestigt und/oder die Werkstückaufnahme ist zusätzlich noch drehbar gelagert (hier nicht dargestellt).
In einigen Ausführungsbeispielen besitzt das Koordinatenmessgerät 10 einen weiteren Sensor, der bspw. ein Tiefensensor sein kann. Der Tiefensensor ist in 2 bei der Bezugsziffer 50 dargestellt und in bevorzugten Ausführungsbeispielen zusammen mit der Lichtfeldkamera 42 am Messkopf 20 angeordnet. In einigen Ausführungsbeispielen nutzt der Tiefensensor 50 einen chromatischen Längsfehler, um mit Hilfe einer Spektralanalyse des von dem Messobjekt 28 reflektierten Lichts die Entfernung eines ausgewählten Messpunktes 44 zu dem Messkopf 20 mit sehr hoher Genauigkeit zu bestimmen. Die Lichtfeldkamera 42 kann vorteilhaft verwendet werden, um das Messobjekt 28 optimal im Arbeitsbereich des Tiefensensors 50 zu platzieren.
Darüber hinaus kann die Lichtfeldkamera 42 in weiteren Ausführungsbeispielen mit anderen Sensoren kombiniert sein, die vorteilhafterweise eine sehr genaue Vermessung von einzelnen Messpunkten des Messobjekts 28 ermöglichen. Außerdem ist es in weiteren Ausführungsbeispielen möglich, dass der Messkopf 20 die Lichtfeldkamera 42 als einzigen berührungslosen Sensor verwendet, wobei auch in diesem Fall vorteilhafterweise zunächst die 3D-Koordinaten von ausgewählten Messpunkten 44 an dem Messobjekt 28 bestimmt werden, bevor die eigentliche Aufnahme der Messwerte erfolgt, anhand derer die geometrischen Eigenschaften des Messobjekts bestimmt werden.
Vorteilhafterweise bestimmt die Auswerte- und Steuereinheit 22 in einigen Ausführungsbeispielen anhand der 3D-Koordinaten von ausgewählten Messpunkten 44 und dem Messobjekt 28 eine Bewegungsbahn und eine definierte Position des Messkopfes 20, an der die für die Bestimmung der geometrischen Eigenschaften erforderlichen Messpunkte in einem günstigen Arbeitsabstand 46 liegen. In einigen Ausführungsbeispielen wird an dem günstigen Arbeitsabstand 46 ein weiteres Bild von dem Messobjekt 28 mit Hilfe der Lichtfeldkamera 42 aufgenommen. Anschließend erfolgt die Auswertung des weiteren Bildes, um die geometrischen Eigenschaften des Messobjekts 28 zu bestimmen. Beispielsweise wird anhand des weiteren Bildes die Tiefe 52 einer Bohrung und/oder die Neigung 54 eines Flächenstücks am Messobjekt 28 bestimmt.
In einigen Ausführungsbeispielen wertet die Auswerte- und Steuereinheit 22 die Pixelwerte der Pixel 36 dabei in einem sog. Binning-Modus aus. Binning-Modus bedeutet hier, dass die Pixelwerte der Pixel 36 eines Subarrays 56 (3), das hinter eine Mikrolinse 38 liegt, gewichtet oder ungewichtet aufaddiert werden, um einen gemeinsamen Pixelwert für das Subarray 56 von Pixeln 36 zu erhalten. Die Auswerte- und Steuereinheit 22 verzichtet in diesem Fall auf das Bestimmen einer Entfernungsinformation zu den ausgewählten Messpunkten. Stattdessen liefert die Lichtfeldkamera 42 im Binning-Modus ein 2D-Bild mit einer im Vergleich zur Pixelanzahl des Bildsensors 34 reduzierten Auflösung. Durch die Addition der Pixelwerte eines jeden Subarrays 56 wird jedes Subarray 56 wie ein Pixel mit vergrößerter Pixelfläche ausgewertet, was für die 2D-Bildauswertung aufgrund der vergrößerten aktiven Pixelfläche und der daraus resultierenden hohen Lichtausbeute von Vorteil bei der Vermessung von kontrastschwachen Messobjekten ist.
Für den Binning-Modus ist es vorteilhaft, wenn die Subarrays 56 jeweils eine Kantenlänge 58 haben, die eine ungerade Anzahl an Pixeln 36 beträgt, da in diesem Fall ein zentrales Pixel in dem Array auf der optischen Achse der zugeordneten Mikrolinse zu liegen kommt. Die Pixel 36 am Rand eines Subarrays 56 werden in einigen Ausführungsbeispielen mit einem geringeren Gewicht in der Addition der Pixelwerte berücksichtigt, weil sie aufgrund ihrer Randlage typischerweise weniger Licht erhalten als die Pixel 36 im zentralen Bereich jedes Arrays. Alternativ oder ergänzend können auch Schwellenwerte verwendet werden, um eine gewichtete Addition der Pixelwerte aller Pixel 36 eines Subarrays 56 im Binning-Modus zu erhalten.
Vorteilhafterweise besitzt die Auswerte- und Steuereinheit 22 einen Wahlschalter, um die Pixel 36 der Lichtfeldkamera 42 wahlweise im Binning-Modus oder im Lichtfeldmodus (plenoptischer Modus) auszuwerten. Im zuletzt genannten Fall bestimmt die Auswerte- und Steuereinheit 22 3D-Koordinaten zu ausgewählten Messpunkten 44. Im erstgenannten Fall erzeugt die Auswerte- und Steuereinheit 22 ein 2D-Bild, das anschließend mit bekannten Methoden der 2D-Bildverarbeitung, wie etwa Kantendetektion, analysiert wird, um die geometrischen Eigenschaften des Messobjekts 28 zu bestimmen.
Alternativ oder ergänzend zu der Auswertung der Pixelwerte der Lichtfeldkamera 42 im Binning-Modus kann das Koordinatenmessgerät 10 in einigen Ausführungsbeispielen ein konventionelles 2D-Bild des Messobjekts 28 mit Hilfe eines weiteren Kamerasensors aufnehmen und auswerten. Dieser weitere Kamerasensor kann der in 2 bei der Bezugsziffer 50 schematisch angedeutete Sensor sein.
In einigen Ausführungsbeispielen können die Mikrolinsen 38 jeweils einen definierten chromatischen Längsfehler aufweisen. Vorteilhafterweise besitzt das Koordinatenmessgerät 10 eine Lichtquelle 60, bspw. in Form eines Ringlichts, das konzentrisch zu dem Objektivkörper 30 angeordnet ist. Die Lichtquelle 60 ist in der Lage, Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen 62 zu erzeugen. Die Auswerte- und Steuereinheit 22 kann die Lichtquelle 60 so ansteuern, dass die Lichtquelle 60 wahlweise Licht einer anderen Wellenlänge erzeugt, um das Messobjekt 28 zu beleuchten. In Abhängigkeit von der jeweils verwendeten Wellenlänge 62 ändern sich die Abbildungseigenschaften des Mikrolinsenarrays aufgrund des chromatischen Längsfehlers der Mikrolinsen 38. Vorteilhafterweise realisiert das Koordinatenmessgerät 10 in diesen Ausführungsbeispielen einen vergrößerten Messbereich. Durch Wechsel der jeweiligen Beleuchtungswellenlänge kann bei feststehender Anordnung von Lichtfeldkamera 42 und Messobjekt 28 auf diese Weise eine Tiefenmessung mit erweitertem Arbeitsbereich durchgeführt werden.
Des Weiteren besitzt das Koordinatenmessgerät 10 in einigen Ausführungsbeispielen einen Musterprojektor 64, der bspw. ein Streifenprojektor sein kann. Der Musterprojektor 64 erzeugt eine Vielzahl von Lichtfiguren 66a, 66b, 66c (4) auf der Oberfläche des Messobjekts 28. Vorteilhafterweise ist der Musterprojektor 64 in einem definierten und bekannten Winkel zu der optischen Achse 68 der Optik 32 angeordnet. Die Lichtfeldkamera 42 und der Musterprojektor 64 bilden in bevorzugten Ausführungsbeispielen zusammen einen Triangulationssensor, mit dessen Hilfe 3D-Raumkoordinaten von ausgewählten Messpunkten an dem Messobjekt 28 mit sehr hoher Genauigkeit bestimmt werden können. Von Vorteil ist dabei die der Lichtfeldkamera 42 innewohnende Eigenschaft, 3D-Koordinaten zu ausgewählten Messpunkten zu bestimmen, weil diese Fähigkeit in der Auswerte- und Steuereinheit 22 vorteilhaft genutzt werden kann, um die benachbarten Lichtfiguren 66a, 66b, 66c anhand der zuvor bereits bestimmten 3D-Raumkoordinaten eindeutig voneinander unterscheiden und identifizieren zu können. Mit Hilfe von Triangulation anhand der Lichtfiguren 66 und dem bekannten Triangulationswinkel zwischen der Lichtfeldkamera 42 und dem Musterprojektor 64 werden die 3D Koordinaten mit einer höheren Genauigkeit bestimmt als mit der Lichtfeldkamera 42 allein.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist die Auswerte- und Steuereinheit dazu ausgebildet, die Wellenfront 76 des von dem Messobjekt 28 reflektierten Lichts mit Hilfe eines Verfahrens der Phasenrekonstruktion zu bestimmen. Beispielhaft sei hierzu auf die eingangs genannte Publikation von Lane/Irwan oder auch auf die US 2006/072104 A1 verwiesen, die hier durch Bezugnahme aufgenommen sind. Vorteilhaft dienen die zuvor bereits bestimmten 3D-Koordinaten dazu, Startbedingungen zu definieren, die eine eindeutige und schnelle Konvergenz der Phasenwerte ermöglichen.
In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen besitzt der Messkopf 20 zwei Bildsensoren, die hinter einer gemeinsamen Optik angeordnet sind. Über einen Strahlteiler kann einfallendes Licht sowohl auf den ersten Bildsensor als auch auf den zweiten Bildsensor fallen. Der erste Bildsensor entspricht dem Bildsensor 34. Er bildet zusammen mit der Optik und einem Mikrolinsenarray eine Lichtfeldkamera, die Tiefeninformationen bzw. Entfernungswerte liefert. Der zweite Bildsensor (hier nicht dargestellt) bildet zusammen mit der Optik (aber ohne Mikrolinsen) eine hochauflösende 2D Kamera, die laterale Informationen liefert.
In einigen Ausführungsbeispielen besitzt der Bildsensor 34 eine logarithmische Charakteristik, d. h. die von den Pixeln 36 erzeugten Pixelwerte hängen entsprechend einer zumindest abschnittsweise logarithmischen oder quasilogarithmischen Charakteristik von der Intensität des auftreffenden Lichts ab. Bildsensoren mit einer solchen Charakteristik sind seit langem bekannt, etwa aus US 6 489 658 B2 , die hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Ein solcher Bildsensor besitzt aufgrund der logarithmischen Charakteristik eine große Eingangsdynamik und kann somit sehr kontrastreiche Messobjekte in hoher Detailgenauigkeit aufnehmen. Die hohe Eingangsdynamik trägt vorteilhafterweise zu einer hohen Messgenauigkeit beim Bestimmen der 3D-Koordinaten mit Hilfe der Lichtfeldkamera 42 bei.

Claims

Koordinatenmessgerät zum Bestimmen von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts (28), mit einer Werkstückaufnahme (14) zum Platzieren des Messobjekts (28), mit einem Messkopf (20), der relativ zu der Werkstückaufnahme (14) verfahrbar ist, wobei der Messkopf (20) eine Lichtfeldkamera (42) aufweist, und mit einer Auswerte- und Steuereinheit (22), die dazu ausgebildet ist, ein erstes Bild von dem Messobjekt (28) mit Hilfe der Lichtfeldkamera (42) aufzunehmen und 3D-Koordinaten zu ausgewählten Messpunkten (44) an dem Messobjekt (28) in Abhängigkeit von dem ersten Bild zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (22) ferner dazu ausgebildet ist, den Messkopf (20) in Abhängigkeit von den 3D-Koordinaten an eine definierte Position relativ zu dem Messobjekt (28) zu verfahren, um anschließend an der definierten Position mit Hilfe des Messkopfes (20) Messwerte aufzunehmen, die die geometrischen Eigenschaften des Messobjekts (28) repräsentieren.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (22) dazu ausgebildet ist, die Messwerte anhand eines 2D-Bildes von dem Messobjekt (28) zu bestimmen, das an der definierten Position aufgenommen wird.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (22) dazu ausgebildet ist, einen optimierten Arbeitsabstand (46) zwischen dem Messkopf (20) und dem Messobjekt (28) anhand der 3D-Koordinaten zu bestimmen, wobei die definierte Position den optimierten Arbeitsabstand (46) repräsentiert.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (22) dazu ausgebildet ist, einen optimierten Blickwinkel von dem Messkopf (20) auf das Messobjekt (28) anhand der 3D-Koordinaten zu bestimmen, wobei die definierte Position den optimierten Blickwinkel repräsentiert.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (20) einen Musterprojektor (64) aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein definiertes Lichtmuster mit einer Vielzahl von voneinander beabstandeten Lichtfiguren (66) auf dem Messobjekt (28) zu erzeugen.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (22) dazu ausgebildet ist, eine definierte Lichtfigur (66b) aus der Vielzahl von voneinander beabstandeten Lichtfiguren (66) anhand der 3D-Koordinaten zu identifizieren.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (20) ferner einen Tiefensensor (50) aufweist, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (22) dazu ausgebildet ist, die Messwerte an der definierten Position mit Hilfe des Tiefensensors (50) aufzunehmen.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (22) dazu ausgebildet ist, eine Oberflächenneigung (54) des Messobjekts (28) anhand der 3D-Koordinaten zu bestimmen.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (22) dazu ausgebildet ist, anhand der 3D-Koordinaten ein zweites Bild zu berechnen, das einen im Vergleich zu dem ersten Bild vergrößerten Schärfentiefebereich besitzt.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfeldkamera (42) einen 2D-Bildsensor (34) mit einer Vielzahl von Pixeln (36) und ein objektseitig vor dem 2D-Bildsensor (34) angeordnetes Mikrolinsenarray mit einer Vielzahl von Mikrolinsen (38) aufweist, welches die Vielzahl von Pixeln (36) in Pixelarrays untergliedert.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfeldkamera (42) eine Optik (32) vor den Mikrolinsen (38) aufweist, die eine laterale Auflösung definiert, wobei die Mikrolinsen (38) jeweils eine laterale Abmessung besitzen, die der lateralen Auflösung entspricht.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrolinsenarray eine Vielzahl von Mikrolinsen (38) aufweist, die einen definierten chromatischen Längsfehler besitzen, ferner mit einer Lichtquelle (60), die dazu ausgebildet ist, das Messobjekt (28) wahlweise mit Licht (62) unterschiedlicher Farbe zu beleuchten.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixelarrays jeweils eine Kantenlänge mit einer ungeraden Anzahl an Pixeln (36) besitzen.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch ein Blendengitter (40) mit Stegen, die Übergänge von einer Mikrolinse (38) zur nächsten Mikrolinse (38) in dem Mikrolinsenarray überdecken.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (20) eine telezentrisches Optik (32) aufweist, durch die die Lichtfeldkamera (42) das erste Bild aufnimmt.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (22) ferner dazu ausgebildet ist, eine Wellenfront (76) des mit der Lichtfeldkamera (42) aufgenommenen Lichts zu berechnen.
Verfahren zum Bestimmen von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts, mit den Schritten Platzieren des Messobjekts (28) auf einer Werkstückaufnahme (14), Bereitstellen eines Messkopfes (20), der eine Lichtfeldkamera (42) aufweist, Aufnehmen eines ersten Bildes von dem Messobjekt (28) mit Hilfe der Lichtfeldkamera (42), und Bestimmen von 3D-Koordinaten zu ausgewählten Messpunkten (44) an dem Messobjekt (28) in Abhängigkeit von dem ersten Bild, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: Verfahren des Messkopfes (20) an eine definierte Position relativ zu dem Messobjekt (28) in Abhängigkeit von den 3D-Koordinaten, und Erfassen von Messwerten, die die geometrischen Eigenschaften des Messobjekts (28) repräsentieren, an der definierten Position mit Hilfe des Messkopfes (20).