DE102016202928A1

DE102016202928A1 - Verbessertes Autofokusverfahren für ein Koordinatenmessgerät

Info

Publication number: DE102016202928A1
Application number: DE102016202928.2A
Authority: DE
Inventors: Dominik Seitz; Nils Haverkamp; Christoph Kranz
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2017-08-31
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: DE102016202928B4; US10120163B2; US20170248768A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Ermitteln eines Fokus-Bildabstands (58) eines mit einem Objektiv versehenen optischen Sensors (14) eines Koordinatenmessgeräts (10) auf ein zu vermessendes Werkstück (12), wobei der optische Sensor (14) und/oder das Werkstück (12) in einer Z-Richtung (20) bewegbar sind, so dass ein Abstand (22) in der Z-Richtung (20) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14) veränderbar ist. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Koordinatenmessgerät (10) und ein Computerprogrammprodukt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstands eines optischen Sensors eines Koordinatenmessgeräts auf ein zu vermessendes Werkstück, wobei der optische Sensor und/oder das Werkstück in einer Z-Richtung bewegbar sind, so dass ein Abstand in der Z-Richtung zwischen dem Werkstück und dem optischen Sensor veränderbar ist.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Koordinatenmessgerät mit einem optischen Sensor und einer Regelungseinrichtung zur Fokussierung des optischen Sensors.
Koordinatenmessgeräte sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Sie dienen dazu, beispielsweise im Rahmen einer Qualitätssicherung Werkstücke zu überprüfen oder die Geometrie eines Werkstücks vollständig im Rahmen eines so genannten ”Reverse Engineering” zu ermitteln. Darüber hinaus sind vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar.
In derartigen Koordinatenmessgeräten können verschiedene Arten von Sensoren zur Anwendung kommen, um die Koordinaten eines zu vermessenden Werkstücks zu erfassen. Beispielsweise sind hierzu taktil messende Sensoren bekannt, wie sie beispielsweise von der Anmelderin unter der Produktbezeichnung ”VAST XT” oder ”VAST XXT” vertrieben werden. Hierbei wird die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks mit einem Taststift angetastet, dessen Koordinaten im Messraum ständig bekannt sind. Ein derartiger Taststift kann auch entlang der Oberfläche eines Werkstücks bewegt werden, so dass in einem solchen Messvorgang im Rahmen eines so genannten ”Scanning-Verfahrens” eine Vielzahl von Messpunkten in festgelegten zeitlichen Abständen erfasst werden kann.
Darüber hinaus ist es bekannt, optische Sensoren einzusetzen, die ein berührungsloses Erfassen der Koordinaten eines Werkstücks ermöglichen. Ein Beispiel für einen derartigen optischen Sensor ist der unter der Produktbezeichnung ”ViScan” von der Anmelderin vertriebene optische Sensor.
Die Sensoren können dann in verschiedenen Arten von Messaufbauten verwendet werden. Ein Beispiel für einen solchen Messaufbau ist das Produkt ”O-INSPECT” der Anmelderin. Bei einem derartigen Gerät finden sowohl ein optischer Sensor als auch ein taktiler Sensor Anwendung, um verschiedene Prüfaufgaben an einer Maschine und idealerweise mit einer einzigen Aufspannung eines zu vermessenden Werkstücks durchzuführen. Auf diese Weise lassen sich einfach sämtliche Prüfaufgaben beispielsweise in der Medizintechnik, der Kunststofftechnik, der Elektronik und der Feinmechanik durchführen. Selbstverständlich sind darüber hinaus auch verschiedene andere Aufbauten denkbar.
In einem Gerät, wie beispielsweise dem ”O-INSPECT”, wird das vermessene Werkstück auf einem Tisch aufgespannt. Der Tisch bildet dabei eine X-Y-Ebene. Senkrecht von dieser Ebene, das heißt in Z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems, ist der optische Sensor von dem zu vermessenden Werkstück beabstandet. Abhängig von dem zu vermessenden Werkstück und der relativen Position des optischen Sensors und des Tischs zueinander ist der optische Sensor auf das zu vermessende Werkstück zu fokussieren. In der Regel gilt dabei für alle X-Y-Positionen des Tischs eine Fokussierung in Z-Richtung.
Die Fokussierung wird dabei automatisch von dem Koordinatenmessgerät durchgeführt. Dies erfolgt bekannter Weise derart, dass ein Anwender den optischen Sensor zunächst manuell auf eine Position bzw. einen Abstand zu dem zu vermessenden Werkstück bewegt, in dem er etwa eine maximale Schärfe bzw. Fokussierung auf das Werkstück erwartet. Er gibt dann einen Suchbereich in Form einer Längenangabe bzw. einer Entfernung in Z-Richtung vor, in der nach der maximalen Schärfe bzw. besten Fokussierung gesucht werden soll.
Die Kamera wird dann um die Hälfte des vorgegebenen Suchbereichs weiter von dem zu vermessenden Werkstück entfernt und bewegt sich dann mit sehr langsamer Geschwindigkeit bis zum Ende des Suchbereichs auf das Werkstück zu. Während dieser Kamerafahrt werden mittels des optischen Sensors in bestimmten Zeitintervallen Bilder dieses Werkstücks erfasst und von dem Koordinatenmessgerät von dem optischen Sensor abgefragt. Im Rahmen einer Auswertung wird dann als ein Kontrastkriterium ein sogenannter Kontrastwert eines bestimmten Bereichs des abgefragten Bildes ermittelt und die Position bzw. der Abstand zu dem zu vermessenden Werkstück, in dem die Bildanforderung abgeschickt wurde, zusammen mit dem Kontrastwert gespeichert. Mit der so ermittelten Vielzahl von Kontrastwerten und den jeweils zugehörigen Abständen zu dem zu vermessenden Werkstück lässt sich eine so genannte Kontrastwertkurve auftragen. Das Koordinatenmessgerät ist dann dazu in der Lage, einen Extremwert dieser Kurve zu bestimmen. Der zu dem Extremwert dazugehörige Abstand stellt dann denjenigen Abstand dar, in dem die maximale Schärfe bzw. die beste Fokussierung des optischen Sensors vorliegt, und der optische Sensor wird in diesem Abstand zu dem zu vermessenden Werkstück eingestellt.
Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren bekannt, die einen Kontrastwert bestimmen können. Beispielsweise kann für die Auswertung ein Bereich der Bilder ausgewählt werden, in dem eine Kante eines zu vermessenden Werkstücks liegt. In diesem Bereich befindet sich dann ein sehr abrupter Farbübergang bzw. Hell-Dunkel-Übergang. Ein Kontrastwert kann dann beispielsweise der maximale Gradient der Graustufenwerte des Bildes senkrecht zu der Kante sein. Je schärfer ein Bild eingestellt ist, desto höher wird der Gradient sein, da idealerweise ein abrupter Übergang von Hell zu Dunkel von einem Pixel auf den nächsten erfolgt. Je unschärfer das Bild eingestellt ist, desto kontinuierlicher ist der Hell-Dunkel-Übergang und desto geringer ist der Gradient. Selbstverständlich sind darüber hinaus auch viele weitere Möglichkeiten zur Bestimmung eines Kontrastwerts denkbar und bekannt.
Die Druckschrift US 2014/043470 zeigt ein Koordinatenmessgerät mit einer Werkstückaufnahme zur Aufnahme eines Messobjekts und einen Messkopf, der relativ zu der Werkstückaufnahme verfahrbar ist. Der Messkopf trägt einen optischen Sensor. Eine Auswerte- und Steuereinheit ist dazu ausgebildet, Raumkoordinaten an dem Messobjekt in Abhängigkeit von einer Position des Messkopfes relativ zu der Werkstückaufnahme und in Abhängigkeit von Sensordaten des optischen Sensors zu bestimmen. Der optische Sensor beinhaltet ein Objektiv und eine Kamera. Das Objektiv besitzt eine Blende und mindestens vier separate Linsengruppen, von denen drei entlang der optischen Achse des Objektivs individuell verschiebbar sind. Des Weiteren ist auch die Blende entlang der optischen Achse individuell verschiebbar. Eine erste Linsengruppe ist im Bereich der Lichteintrittsöffnung des Objektivs feststehend angeordnet. Ein Koordinatenmessgerät mit einem solchen Objektiv ermöglicht die Variation von Vergrößerung, Fokussierung, Auflösung u. a. über einen großen Anwendungsbereich hinweg.
Derartige Sensoren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie in vielen verschiedenen Arbeitsabständen zwischen optischem Sensor und Werkstück arbeiten können. Darüber hinaus sind sie dazu in der Lage, mit verschiedenen, beliebig gewählten Vergrößerungen zu arbeiten. Dies ermöglicht unter anderem auch, Werkstücke mit relativ großen Höhenunterschieden problemlos zu vermessen. Gleichzeitig ergibt sich daraus, dass der Raumbereich, in dem sich eine Ebene einer besten Fokussierung befinden kann, grundsätzlich relativ groß wird. Es ist für einen Nutzer vorab schwerer abzuschätzen, wo in etwa sich die Ebene einer besten Fokussierung befinden wird. Dies macht es notwendig, einen anfänglichen „Fangbereich” relativ groß einzustellen, um sicherzugehen, die Ebene der besten Fokussierung innerhalb dieses Fangbereichs vorzufinden. Der Fangbereich meint dabei den Bereich, über den eine Suche nach der Ebene der besten Fokussierung begonnen wird.
Mit einem relativ großen Fangbereich gehen jedoch bislang zwei Nachteile einher. Zum einen dauert es relativ lange, bis eine Ebene der besten Fokussierung mittels Kontrastkriterien gefunden ist, da eine relativ große Wegstrecke durchfahren werden muss. Zum anderen nimmt die Reproduzierbarkeit des Ergebnisses für die Ebene der besten Fokussierung ab. Dem könnte entgegengewirkt werden, indem die Anzahl der Aufnahmen innerhalb des Fangbereichs erhöht und/oder die Geschwindigkeit, mit der der Fangbereich durchfahren wird, reduziert wird. Dies führt jedoch dazu, dass die für die Autofokussierung benötigte Zeitdauer noch weiter erhöht wird. Somit kann man entweder nur eine sehr langsame Autofokussierung erreichen, oder man muss eine maximale Größe des Fangbereichs beschränken, was jedoch unerwünscht ist und die Gefahr beinhaltet, dass die Ebene der besten Fokussierung außerhalb des tatsächlichen Fangbereichs liegt.
Insbesondere bei Objektiven mit großer numerischer Apertur und dementsprechend mit großem Öffnungswinkel ist die Schärfentiefe des Objektivs reduziert, wodurch ein sinnvoller anfänglicher Fangbereich eingeschränkt wird, da außerhalb des Schärfentiefenbereichs keine auswertbaren Aufnahmen mehr erhalten werden.
Vor diesem Hintergrund ist es eine technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstands eines optischen Sensors eines Koordinatenmessgeräts und ein Koordinatenmessgerät bereitzustellen, bei dem die Ermittlung des fokussierten Bildabstands möglichst schnell auch bei anfänglichen Startwerten außerhalb des Schärfentiefenbereichs des Objektivs erfolgt.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird daher vorgeschlagen, das eingangs genannte Verfahren durch wenigstens einen der folgenden Schritte fortzubilden:

a) Einem Bestimmungsschritt, bei dem die Intensität eines ersten mit dem optischen Sensor aufgenommenen Bildes der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks bei einem ersten eingestellten Fokusabstand und die Intensität eines zweiten mit dem optischen Sensor aufgenommenen Bildes der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks bei einem zweiten eingestellten Fokusabstand bewertet werden, um daraus die wahrscheinlichste Lage des besten Fokus in Relation zum ersten eingestellten Fokusabstand und zum zweiten eingestellten Fokusabstand zu bestimmen;
b) Einem Annäherungsschritt, bei dem in der Nähe der wahrscheinlichsten Lage des besten Fokus mindestens drei verschiedene Fokusabstände eingestellt werden und anhand der Intensitäten der dabei aufgenommenen Bilder die Lage des besten Fokus näherungsweise bestimmt wird.

Das relative Bewegen zwischen dem optischen Sensor und das Verändern des Abstands kann dabei erfolgen, indem der optische Sensor festgehalten wird und ein Tisch, auf dem das Werkstück angeordnet ist, in Z-Richtung bewegt wird. Die Z-Richtung steht dabei senkrecht auf dem Tisch bzw. dem Werkstück. Eine Entfernung zwischen dem optischen Sensor und dem Werkstück in Z-Richtung gibt somit den Abstand zwischen dem optischen Sensor und dem Werkstück wieder.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Tisch bzw. das Werkstück fest steht und der optische Sensor bewegt wird. Letztlich kann selbstverständlich auch vorgesehen sein, dass sowohl der optische Sensor als auch das Werkstück bewegt werden. Es kommt lediglich darauf an, den Abstand, das heißt die Entfernung zwischen dem optischen Sensor und dem Werkstück in Z-Richtung zu variieren.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass bei einem anfänglichen Fokusabstand, der größer ist als die aktuelle Schärfentiefe des Objektivs, zwar keine Kontrastwerte mehr bei einer Bildaufnahme ausgewertet werden können, aber ein anderes Kriterium nämlich die Intensität der Bildaufnahme ausgewertet werden kann. Mittels der Intensität als Kriterium lässt sich die Lage des besten Fokus ebenso ermitteln wie anhand von Kontrastkriterien. Das Bild im besten Fokus weist die höchste Intensität auf und der Verlauf der Intensitätskurve aufgetragen gegenüber dem Fokusabstand gleicht dem einer Gaußkurve. Entscheidend ist allerdings gegenüber den Kontrastwertkurven, dass sich die Intensitätskurve weit über den Schärfetiefenbereich des Objektivs hinweg erstreckt wo hingegen die Kontrastwertkurven nur einen Bruchteil des Schärfentiefenbereichs einnehmen. Somit ist es im Rahmen des Bestimmungsschrittes möglich, mit der Ermittlung von lediglich zwei Intensitätswerten zweier Bildaufnahmen festzustellen, in welcher Richtung und in welchem Abstand bezogen auf die beiden eingestellten Fokusabstände die wahrscheinlichste Lage des besten Fokus zu suchen ist. Als Intensität eines aufgenommenen Bildes wird hierbei die Gesamtintensität des Bildes als Summe über alle Intensitäten der einzelnen Pixel verstanden.
Ebenso erfindungsgemäß wird in einem Annäherungsschritt die Lage des besten Fokus näherungsweise anhand der Intensitäten von Bildern bestimmt, die bei drei verschiedenen Fokusabständen aufgenommen werden. Anhand von drei Stützstellen lässt sich die Lage des Extremwerts einer Intensitäts-Gaußkurve näherungsweise gut bestimmen.
Für den Fall, dass die wahrscheinliche Lage des besten Fokus schon beim Start der Messung in Bezug auf die Werkstückoberfläche hinreichend bekannt ist, kann auf den Bestimmungsschritt verzichtet werden und das Verfahren kann gleich mit dem Annäherungsschritt begonnen werden.
Somit ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren sehr schnell möglich, lediglich aufgrund von zwei bzw. drei Bildaufnahmen, die auch außerhalb des Schärfetiefenbereichs erfolgen können, die wahrscheinlichste Lage des besten Fokus bzw. die Lage des besten Fokus näherungsweise zu bestimmen.
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren einen konventionellen Kontrastauswertungsschritt, bei dem anhand von Kontrastkriterien die exakte Lage des besten Fokus bestimmt wird. Durch die Verwendung eines zusätzlichen Kontrastauswertungsschritt lässt sich die exakte Lage des besten Fokus sehr viel genauer bestimmen als durch die Verwendung von Intensitätskriterien alleine. Hierzu eignen sich alle gängigen Kontrastauswertungsverfahren, da diese auf Kontrastkriterien beruhen, die allesamt scharf begrenzte Kurven innerhalb des Schärfetiefenbereichs aufweisen. Diese begrenzten Kurven lassen sich hinsichtlich ihres Extremums sehr viel genauer auswerten als die breit über den Schärfetiefenbereich verteilte Intensität-Gaußkurve.
Durch das vorgeschlagene Verfahren wird es möglich, ausgehend von einem beliebig großen Fangbereich, bei gleichbleibender Wiederholgenauigkeit eine präzise Bestimmung der exakten Lage des besten Fokus vorzunehmen. Dies trägt dann in einem Koordinatenmessgerät dazu bei, wiederholbar und präzise mit dieser Einstellung für die Ebene des schärfsten Bildes Messergebnisse zu erzielen. Die Vergrößerung eines Objektivs kann dabei beliebig gesetzt sein und ist bekannt.
Darüber hinaus führt das vorgeschlagene Verfahren sehr schnell zur Ermittlung der exakten Lage des besten Fokus selbst bei im Vergleich zur Schärfentiefe sehr groß gewählten Fangbereichen, da nur beim Kontrastauswertungsschritt viele Bildaufnahmen getätigt werden und da dieser Kontrastauswertungsschritt erst dann zum Einsatz kommt, nachdem die Lage des besten Fokus schon näherungsweise bestimmt wurde. Somit kann durch das erfindungsgemäße Verfahren auch die Anzahl der für den Kontrastauswertungsschritt notwendigen Bildaufnahmen reduziert werden.
Der Begriff ”Vergrößerung” meint dabei die übliche Bedeutung in der Optik, nämlich das Verhältnis zwischen der Größe des Bildes und der wahren Größe eines Objekts. Insbesondere ist hierbei die Axialvergrößerung, das heißt die Vergrößerung längs der optischen Achse, im Weiteren relevant, da sie die Schärfentiefe beeinflusst. Da diese strenggenommen nur im Paraxialgebiet, d. h. dem achsnahen optischen Raum, definiert ist, wird allgemein von der ”Vergrößerung” gesprochen.
Zunächst wird somit aus der eingestellten Vergrößerung und einer numerischen Apertur des Objektivs, die beide bekannt sind, der von der Wellenlänge des Lichts abhängige Betrag der Schärfentiefe berechnet. Die verwendeten Gleichungen zur Berechnung dieser Schärfentiefe sind im Folgenden noch detaillierter erläutert. Insbesondere kann zunächst aus bekannter bildseitiger numerischer Apertur und der Vergrößerung die objektseitige numerische Apertur bestimmt werden und dann auf Basis einer Referenzwellenlänge die Schärfentiefe.
Unter der Schärfentiefe bzw. Tiefenschärfe wird die Länge verstanden, die der optische Sensor in Richtung der optischen Achse verfahren kann, bei der das ermittelte Bild aber immer noch den ungefähr gleichen schärferen Eindruck vermittelt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen, das eingangs genannte Koordinatenmessgerät dahingehend weiterzubilden, dass die Regelungseinrichtung zur Ausführung eines Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung eingerichtet ist.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird darüber hinaus ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm bereitgestellt, das Programmcodemittel zur Durchführung eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Koordinatenmessgerät oder einer Datenverarbeitungseinrichtung eines Koordinatenmessgeräts, die insbesondere auch als externe Einheit an das Koordinatenmessgerät angeschlossen sein kann, oder einer Regelungseinrichtung eines Koordinatenmessgeräts ausgeführt wird.
Das Koordinatenmessgerät gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und das Computerprogrammprodukt gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weisen dieselben Vorteile wie das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren alle genannten drei Schritte. Bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, dass das Verfahren unabhängig von dem Wissen über die mögliche Lage des besten Fokus seitens zum Beispiel des Bedienpersonals durch das Koordinatenmessgerät vollautomatisch durchgeführt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung wird bei dem Verfahren der Annäherungsschritt nach dem Bestimmungsschritt ausgeführt. Hierdurch ist es möglich, dass mit lediglich fünf Bildaufnahmen bereits die Lage des exakten Fokus näherungsweise bestimmt ist. Der dabei resultierende Fehler in der Bestimmung der Lage des besten Fokus ist jedoch für viele Messtechnikanwendungen akzeptable, so dass für diese Anwendungen hiermit ein sehr schnelles Fokusverfahren zur Verfügung gestellt werden kann.
In einer Ausgestaltung wird bei dem Verfahren der Kontrastauswertungsschritt nach dem Annäherungsschritt ausgeführt. Hierdurch lassen sich die höchsten Genauigkeiten für die Bestimmung der exakten Lage des besten Fokus erzielen, da die Wahl der Fokusstaffel für den Kontrastauswertungsschritt unter Kenntnis der näherungsweise bestimmten Lage des besten Fokus erfolgt.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass bei dem Bestimmungsschritt ein erster Differenzabstand zwischen dem ersten eingestellten Fokusabstand und dem zweiten eingestellten Fokusabstand gemäß DA_a = a·DOF gewählt wird, wobei DA_a der Differenzabstand, a ein Faktor und DOF eine Schärfentiefe des Objektivs ist. Auf diese Weise ist es einfach möglich, den Differenzabstand abhängig von einer Schärfentiefe des optischen Sensors in der gewählten Einstellung festzulegen. Insbesondere ist a größer als 1.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Faktor a in einem Bereich 1 < a < 5 liegt, vorzugsweise in einem Bereich 2 < a < 4 liegt, weiter vorzugsweise 3 ist. Durch diese Bereichsauswahl für den Faktor a wird sichergestellt, dass einerseits mit dem Bestimmungsschritt außerhalb des Schärfentiefenbereichs des Objektivs begonnen werden kann und dass andererseits Startwerte hierfür gewählt werden, die eine zuverlässige Vorhersage der wahrscheinlichsten Lage des besten Fokus anhand der Intensität ermöglichen.
Es hat sich gezeigt, dass in etwa das Dreifache der Schärfentiefe als Differenzabstand DA_a gewählt werden sollte, um die wahrscheinlichste Lage der Ebene des schärfsten Bildes bestimmen zu können.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass bei dem Annäherungsschritt ein zweiter Differenzabstand zwischen den mindestens drei Fokusabständen gemäß DA_b = b·DOF gewählt wird, wobei DA_b der größtmögliche Differenzabstand zwischen den mindestens drei Fokusabständen, b ein Faktor und DOF eine Schärfentiefe des Objektivs ist. Auf diese Weise ist es einfach möglich, den zweiten Differenzabstand abhängig von einer Schärfentiefe des optischen Sensors in der gewählten Einstellung festzulegen. Insbesondere ist b kleiner als 2.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Faktor b in einem Bereich 0,25 < b < 2 liegt, vorzugsweise in einem Bereich 0,25 < B < 1,25 liegt, weiter vorzugsweise 1 ist. Durch diese Bereichsauswahl für den Faktor b wird sichergestellt, dass einerseits mit dem Annäherungsschritt in etwa mit dem Schärfentiefenbereich des Objektivs begonnen werden kann, so dass hierfür die wahrscheinlichste Lage des besten Fokus nicht notwendigerweise bekannt sein muss und dass andererseits Startwerte für den Faktor b gewählt werden, die eine zuverlässige Vorhersage des Extremums der Intensität-Gaußkurve ermöglichen.
Es hat sich gezeigt, dass in etwa die Schärfentiefe als Differenzabstand DA_b gewählt werden sollte, um die Lage der Ebene des schärfsten Bildes anhand der Vorhersage des Extremums der Intensitäts-Gaußkurve näherungsweise bestimmen zu können.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Objektiv ein beidseitig telezentrisches Zoom-Objektiv ist.
Ein solches Objektiv ermöglicht nicht nur das Arbeiten mit verschiedenen Vergrößerungen, sondern auch aufgrund der beidseitigen Telezentrie ein genaues Erfassen über einen großen Bereich von Arbeitsabständen. Insbesondere ist es möglich, die bildseitige numerische Apertur konstant zu halten. Beispielsweise kann sie bei konstant 0,032 liegen.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Schärfentiefe des Objekts gemäß
bestimmt wird, wobei DOF die Schärfentiefe des Objektivs, V die Vergrößerung des Objektivs, insbesondere eine Axialvergrößerung, NA die bildseitige numerische Apertur bei der Vergrößerung und λ eine Referenzwellenlänge ist.

Die folgende Tabelle gibt ein Beispiel dafür, wie bei einem optischen Sensor, der eine konstante bildseitige numerische Apertur von 0,032 aufweist, abhängig von der Vergrößerung sich die Schärfentiefe bei einer Referenzwellenlänge von 550 nm ergibt.

Bildseitige numerische Apertur [–]	Vergrösserung [–]	Objektseitige numerische Apertur [–]	Schärfentiefe [mm]
Bildseitige numerische Apertur [–]	Vergrösserung [–]	Objektseitige numerische Apertur [–]	Referenzwellenlänge [mm] 0,00055
0,032	0,4	0,0128	3,356933594
0,032	0,7	0,0224	1,096141582
0,032	1	0,032	0,537109375
0,032	2	0,064	0,134277344
0,032	2,2	0,0704	0,110973011
0,032	2,65	0,0848	0,076484069
0,032	3,2	0,1024	0,052452087
0,032	4	0,128	0,033569336
0,032	6,25	0,2	0,01375

Dabei bildet das Produkt aus der bildseitigen numerischen Apertur und der Vergrößerung die objektseitige Apertur, so dass gilt: objektseitige Apertur = bildseitige numerische Apertur × Vergrößerung. Mit einer bekannten, insbesondere konstanten, bildseitigen numerischen Apertur einer festgelegten Referenzwellenlänge, die insbesondere für 550 nm festgesetzt sein kann, kann somit lediglich abhängig von der eingestellten Vergrößerung V die Schärfentiefe bestimmt werden und aus dieser wiederum den ersten und/oder den zweiten Differenzabstand. Dies ermöglicht ein einfaches und schnelles Ermitteln der genannten Differenzabstände. Insbesondere können die Schärfentiefe und/oder die Differenzabstände so unmittelbar bei Vorgabe einer bestimmten Vergrößerung systematisch bestimmt und zur weiteren Verwendung vorgehalten werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Referenzwellenlänge in einem Bereich 400 nm ≤ λ ≤ 650 nm liegt, vorzugsweise 550 nm ist.
Insbesondere sollte die Referenzwellenlänge innerhalb des Spektralbereichs der Lichtquellen des Koordinatenmessgerätes liegen. Eine Wellenlänge von 550 nm liegt grundsätzlich in etwa in der Mitte des menschlich sichtbaren Spektralbereichs, insbesondere dem Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm, und kann somit bei entsprechenden Lichtquellen bevorzugt sein. Werden aber beispielsweise monochromatische Lichtquellen verwendet, insbesondere Laserlichtquellen, so kann vorgesehen sein, die entsprechende Wellenlänge der Lichtquellen als Referenzwellenlänge zu verwenden.
In einer Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Koordinatenmessgerät mit einem Beleuchtungssystem zur Erzeugung einer Hellfeld-Auflicht-Beleuchtung versehen sein, wobei zumindest Teile des Objektivs auch zur Beaufschlagung der zu vermessenden Oberfläche mit Beleuchtungslicht für das Beleuchtungslicht mitgenutzt werden kann. Hierdurch lässt sich der Effekt, dass die Intensitäts-Gaußkurve am Ort des besten Fokus ein Extremum annimmt, verstärken.
Dabei kann in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts vorgesehen sein, dass das Beleuchtungssystem Licht mit Wellenlängen in einem Bereich von 400 nm bis 650 nm emittiert und dass das Objektiv für wenigstens eine der Wellenlängen in dem genannten Bereich für das Beleuchtungssystem zur Erzeugung der Hellfeld-Auflicht-Beleuchtung auf der zu vermessenden Oberfläche dieselbe exakte Lage des besten Fokus aufweist wie für die Abbildung der zu vermessenden Oberfläche auf den Sensor. indem für wenigsten eine Wellenlänge die Lage des besten Fokus für die Beleuchtung einer zu vermessenden Oberfläche auf dem Hinweg des Lichts von der Lichtquelle zu der zu vermessenden Oberfläche identisch ist zu der Lage des besten Fokus für den Rückweg des Lichts von der zu vermessenden Oberfläche zu dem CCD oder CMOS-Sensor der Kamera, wird für eine Überhöhung des Extremums der Intensitäts-Gaußkurve gesorgt, wodurch sich dieses Extremum und dessen Lage leichter ermitteln lässt.
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.
Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Koordinatenmessgeräts,
2a eine beispielhafte Ansicht eines Bildes,
2b die Fokussierungsverhältnisse bei der Aufnahme des Bildes in 2a,
2c ein Diagramm zur Erläuterung des Unterschieds zwischen einer Intensitäts-Gaußkurve und einer Kontrastwertkurve,
3a eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Bestimmungsschrittes,
3b eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Annäherungsschrittes, und
4 eine Ausführungsform eines Verfahrens.
1 zeigt ein Koordinatenmessgerät 10. Das Koordinatenmessgerät 10 dient zum Vermessen eines Werkstücks 12. Hierzu weist das Koordinatenmessgerät 10 einen optischen Sensor 14 auf. In Ergänzung zu dem optischen Sensor 14 können selbstverständlich noch weitere Sensoren vorgesehen sein, beispielsweise taktile Sensoren, die jedoch in der vorliegenden schematischen Ansicht nicht dargestellt sind.
Das zu vermessende Werkstück 12 ist beispielsweise auf einem Tisch oder einer Grundplatte 16 angeordnet. In der dargestellten Ansicht ist der Tisch oder die Grundplatte in einer X-Y-Ebene eines Koordinatensystems 18 ausgerichtet. Senkrecht zu dem Tisch 16 erstreckt sich eine Z-Richtung 20. Ein Abstand zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 in der Z-Richtung 20 ist mit einem Bezugszeichen 22 gekennzeichnet. Der optische Sensor 14 und der Tisch 16 bzw. das Werkstück 12 sind relativ zueinander bewegbar. Auf diese Weise kann der Abstand 22 verändert werden. Grundsätzlich kann hierzu vorgesehen sein, dass entweder der Tisch 16 zumindest in einer Z-Richtung bewegbar ist, oder dass der optische Sensor 14, beispielsweise mittels einer geeigneten Mechanik 24, in der Z-Richtung bewegbar ist. Bei der Mechanik 24 kann es sich beispielsweise auch um einen Portalaufbau oder ähnliches handeln. Das Koordinatenmessgerät muss nicht zwingend einen Tischaufbau aufweisen. Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass sowohl der optische Sensor 14 als auch der Tisch 16 in der Z-Richtung bewegbar sind.
Der Einfachheit halber wird in den folgenden Ausführungen angenommen, dass der Tisch 16 bzw. das Werkstück 12 fest verbleibt und der optische Sensor 14 in der Z-Richtung bewegt wird, um den Abstand 22 zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 zu verändern. Dies muss jedoch nicht zwingend so sein.
Um den Abstand 22 derart zu verändern, dass der optische Sensor 14 auf das Werkstück 12 fokussiert ist, weist das Koordinatenmessgerät 10 eine Regelungseinrichtung 26 auf. Die Regelungseinrichtung 26 ist dazu in der Lage, den optischen Sensor 14 in einem Abstand 22 relativ zu dem Werkstück 12 derart zu bewegen, dass die mittels des optischen Sensors 14 aufgenommenen Bilder eine maximale Schärfe aufweisen. Hierzu kann eine Autofokussierungsfunktion des Koordinatenmessgeräts 10 ausgelöst werden. Des Weiteren weist das Koordinatenmessgerät 10 eine Datenverarbeitungseinrichtung 28 auf, die derart eingerichtet ist, dass sie eine Anforderung von Bildern des optischen Sensors 14 und ihre Auswertung durchführt und basierend auf diesen Ergebnissen eine Position des optischen Sensors 14 ausgibt, bei der eine Fokussierung des optischen Sensors 14 auf das Werkstück 12 eingerichtet ist. Diese wird dann durch die Regelungseinrichtung 26 eingestellt. Selbstverständlich kann es sich bei der Regelungseinrichtung 26 und der Datenverarbeitungseinrichtung 28 auch um eine einzige Einheit bzw. ein einziges Element handeln, die Datenverarbeitungseinrichtung 28 und die Regelungseinrichtung 26 sind lediglich zu Erläuterungszwecken als getrennte Einheiten dargestellt.
Darüber hinaus kann das Koordinatenmessgerät 10 ein Eingabegerät 30 aufweisen. Mit diesem kann ein Nutzer beispielsweise gewünschte Suchbereiche in das Koordinatenmessgerät 10 eingeben oder aber den optischen Sensor 14 manuell bewegen und so auch manuell einen Abstand 22 zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 einstellen.
Zu Beginn eines Verfahrens kann vorgesehen sein, dass ein Nutzer den optischen Sensor 14 etwa in die Nähe eines erwarteten Fokus-Abstands 32 einstellt. Ausgehend von diesem erwarteten fokussierten Abstand werden ein erster Fokusabstand 34 und ein zweiter Fokusabstand 36 festgelegt, die zwischen sich einen Fangbereich 38 definieren. In dem vorliegenden Beispiel weist der erste Fokusabstand 34 einen größeren Abstand 22 von dem Werkstück 12 als der zweite Fokusabstand 36 auf. Selbstverständlich kann dieses auch umgekehrt gewählt sein. Alternativ kann des Weiteren vorgesehen sein, dass, falls keine Nutzereingabe zu Beginn erfolgen soll, der erste Fokusabstand 34 in einem maximal möglichen Abstand 22 zwischen optischem Sensor 14 und Werkstück 12 festgelegt wird und der zweite Fokusabstand 36 in einem minimal möglichen Abstand 22 zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 festgelegt wird.
2a zeigt ein Beispiel für ein während eines Fokussierungsvorgangs durch den optischen Sensor 14 aufgenommenes Bild.
In der 2b sind die Aufnahmeverhältnisse während des Aufnehmens des in 2a dargestellten Bildes aufgezeigt.
In der dargestellten Ausführungsform kann beispielsweise vorgesehen sein, dass als ein Kontrastkriterium ein Hell-Dunkel-Übergang über eine Kante 40 herangezogen wird, die in dem Bildabstand des Werkstücks 12 sichtbar ist. Entsprechend wird eine so genannte ”Area Of Interest (AOI)” 42 in dem Bild festgelegt, die die Kante 40 aufweist und im Folgenden ausgewertet wird. In dem dargestellten Beispiel verläuft die Kante 40 horizontal durch das Bild. Entsprechend kann beispielsweise ein Graustufengradient in vertikaler Richtung, das heißt senkrecht zu der Kante 40, innerhalb der AOI 42 zur Bildung des Kontrastkriteriums herangezogen werden. Der optische Sensor 14 ist während der Aufnahme in einem bestimmten Abstand 22 zu dem Werkstück 12 eingestellt. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass eine dem optischen Sensor 14 zugewandte Oberfläche des Werkstücks 12 untersucht werden soll. Der optische Sensor 14 weist ein Objektiv 44 auf, das für eine optimale Fokussierung derart eingerichtet und angeordnet sein muss, dass eine Spitze 46 eines Fokuskegels auf der zu betrachtenden Oberfläche des Werkstücks 12 angeordnet wird. Im vorliegenden Beispiel liegt der Fokuskegel leicht innerhalb des Werkstücks 12, das heißt der Abstand 22 ist etwas zu klein. Eine Schärfentiefe ist ausgehend von der Spitze 46 des Fokuskegels mit 47 bezeichnet. Entsprechend ist das in der 2a dargestellte Bild unscharf, das heißt ein Hell-Dunkel-Übergang über die Kante 40 weist einen relativ flachen Gradienten oder im Extremfall gar keinen Gradienten auf. Somit kann außerhalb der Schärfentiefe in der Regel kein Gradient mehr ermittelt werden. Im Falle einer maximalen Schärfe würde sich der Fokuskegel 46 auf dem Werkstück 12 befinden. Der Hell-Dunkel-Übergang würde dann innerhalb der AOI 42 abrupt erfolgen, wodurch der Gradient entsprechend hoch ausfallen würde. Die Auswertung der Lage des besten Fokus ist somit anhand von Kontrastkriterien wie dem Graustufengradienten auf den Schärfentiefenbereich 47 um die Spitze des Fokuskegels 46 beschränkt.
Im Gegensatz zu einem Kontrastkriterium wie dem Graustufengradienten lässt sich jedoch die Intensität als Funktion des Abstandes 22 auch dann als Fokuskriterium auswerten, wenn kein scharfes Bild mehr erzeugt werden kann, wie dies in 2b dargestellt ist. Die Gesamtintensität über alle Pixel einer Aufnahme ist nicht davon abhängig, ob in dem aufgenommenen Bild ein Hell-Dunkelübergang an einer Kante 40 wahrgenommen werden kann. Dies wird auch in 2 c verdeutlicht. Dort sind zum Vergleich die Intensität und der Graustufengradient als Kontrastkriterium normiert als Funktion des Abstandes 22 aufgetragen. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Intensitätsverteilung einer Gaußkurve und im Vergleich dazu das Kontrastkriterium einer Dirac'schen Deltafunktion gleicht. Dabei ist die Deltafunktion des Kontrastkriteriums in etwa auf den Schärfetiefenbereich 47 beschränkt, hingegen erstreckt sich die Intensitäts-Gaußkurve weit über diesen Bereich 47 hinaus.
In der 3a ist nun schematisch dargestellt, wie sich aus den im Bestimmungsschritt aufgenommenen Bildern des ersten Fokusabstandes 34 und des zweiten Fokusabstandes 36 die wahrscheinlichste Lage des besten Fokus 58 ergibt. Dabei ist in der 3a eine Distanz 59 bzw. ein erster Differenzabstand DA_a zwischen dem ersten Fokusabstand 34 und dem zweiten Fokusabstand 36 aufgetragen. Die Distanz 59 bzw. der Differenzabstand DA_a unterteilt sich in zwei gleich lange Abschnitte 59'. Ausgehend von dem von einem Nutzer zunächst eingestellten erwarteten fokussierten Abstand 32 werden der erste Fokusabstand 34 und der zweite Fokusabstand 36 derart bestimmt, dass sie sich entgegengesetzt zueinander ausgehend von dem erwarteten fokussierten Abstand 32 jeweils in der Entfernung 59' erstrecken. In dem dargestellten Beispiel ist der erste Fokusabstand 34 weiter von dem Werkstück entfernt als der zweite Fokusabstand 36. Dies kann aber selbstverständlich auch umgekehrt gewählt sein. Der Abstand 22 wird nun im Bestimmungsschritt auf den ersten Fokusabstand 34 seitens der Regelungseinrichtung 26 eingestellt und es wird eine erste Bildaufnahme getätigt, deren Intensität seitens der Datenverarbeitungseinheit 28 ausgewertet und abgespeichert wird. Entsprechend wird der Abstand 22 sodann auf den zweiten Fokusabstand 36 eingestellt und eine entsprechende Intensität bei diesem Abstand ermittelt.
Anschließend wird durch die Datenverarbeitungseinheit 28 eine zu erwartende Intensität-Gaußkurve 54 mittels Interpolation an die beiden Intensitätswerte für den Fokusabstand 34 und den Fokusabstand 36 angepasst. Diese zu erwartende Intensitäts-Gaußkurve 54 ist in 3a für große Intensitätswerte nach rechts über den Abstand 22 in z-Richtung aufgetragen. Das bedeutet, dass zum Beispiel für einen bestimmten Abstand 22 der Intensitätswert 52 resultiert. Dieser bestimmte Abstand 22 ist in 3a durch eine gestrichelte horizontale Linie eingezeichnet. Anhand der angepassten Intensitäts-Gaußkurve 54 kann dann die Datenverarbeitungseinheit 28 den Extremwert 56 der Kurve sowie die damit verbundene wahrscheinlichste Lage 58 des besten Fokus ermitteln.
Alternativ zur Anpassung einer Intensitäts-Gaußkurve kann es angeraten sein, die wahrscheinlichste Lage 58 des besten Fokus lediglich aus dem Intensitätsverhältnis der beiden Bildaufnahmen in Bezug zur Distanz 59 zu bestimmen. Bei diesem linearen Ansatz wird die wahrscheinlichste Lage 58 des besten Fokus dadurch bestimmt, dass die Distanz 59 entsprechend dem Intensitätsverhältnis der beiden Bildaufnahmen unterteilt wird. Ergibt die Intensität des einen Bildes zum Beispiel den Wert 2 und die Intensität des anderen Bildes zum Beispiel den Wert 5, so wird die Distanz 59 in 2 + 5 = 7 Einheiten unterteilt. Damit ergibt sich dann der Schwerpunkt und damit die wahrscheinlichste Lage 58 des besten Fokus bei 2/7 der Distanz 59 entfernt von dem Bild mit dem Intensitätswert 5. Sowohl mit der Anpassung einer Intensitäts-Gaußkurve als auch mittels einer linearen Gewichtung der Intensitätswerte lässt sich somit bei dem Bestimmungsschritt 102 die wahrscheinlichste Lage 58 des besten Fokus aus einer Bewertung der Intensitäten der beiden aufgenommenen Bildaufnahmen in Relation zum ersten eingestellten Fokusabstand 34 und zum zweiten eingestellten Fokusabstand 36 bestimmen.
3b zeigt im linken Teil der Darstellung eine Kopie der 3a zur Darlegung des Bestimmungsschrittes und im rechten Teil zum Größenvergleich den zweiten Differenzabstand DA_b mit dem Bezugszeichen 66 des Annäherungsschrittes. Es ist deutlich zu erkennen, dass der zweite Differenzabstand DA_b des Annäherungsschrittes mit dem Bezugszeichen 66 kleiner ist als der erste Differenzabstand DA_a des Bestimmungsschrittes mit dem Bezugszeichen 59. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass die wahrscheinlichste Lage des besten Fokus 58 aus dem Bestimmungsschritt bekannt ist und daher das Suchintervall 66 für den Annäherungsschritt entsprechend klein gewählt werden kann. Bei dem Annäherungsschritt werden mindestens drei Fokusabstände 34'', 36'' und 58'' eingestellt, bei denen die Bildaufnahmen hinsichtlich der Intensität durch die Datenverarbeitungseinheit 28 ausgewertet werden. Die Fokusabstände 34'' und 36'' werden entsprechend jeweils am Ende des Suchintervalls 66 ausgewählt wodurch der größtmögliche Differenzabstand zwischen den mindestens drei Fokusabständen des Annäherungsschrittes als zweiter Differenzabstand DA_b durch die Größe des Suchintervalls 66 gegeben ist. Der dritte Fokusabstand 58'' wird nun so gewählt, dass er dem Fokusabstand 58 der wahrscheinlichsten Lage des besten Fokus aus dem Bestimmungsschritt entspricht. Anhand der drei ermittelten Intensitätswerte wird mittels der Datenverarbeitungseinheit 28 wiederum eine Intensitäts-Gaußkurve interpoliert, woraus sich dann die Lage des besten Fokus näherungsweise aus dem ermittelten Extremum der Kurve ergibt.
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens wird dann bei einem Kontrastauswertungsschritt anhand bekannter Kontrastkriterien wie zum Beispiel dem eingangs zu 2b erwähnten Kriterium des Graustufengradienten die exakte Lage des besten Fokus anhand der Bildaufnahmen für mehrere verschiedene Fokusabstände innerhalb des Schärfentiefenbereichs 47 ermittelt. Dabei ist die Vorabinformation über die wahrscheinlichste Lages des besten Fokus und/oder die näherungsweise bestimmte Lage des besten Fokus hilfreich, das hierbei abzusuchende Intervall an Fokusabständen einzugrenzen. Ebenso kann die Anzahl der Fokusabstände für die verschiedenen Bildaufnahmen reduziert werden. Beides führt letztendlich dazu, dass die Zeit zur Ermittlung der exakten Lage des besten Fokus gegenüber herkömmlichen Verfahren mit einem Kontrastauswertungsschritt reduziert wird.
4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 gemäß einer Ausführungsform. Nach dem Starten der Messung durch eine entsprechende Eingabe des Bedieners am Eingabegerät 30 wird seitens der Datenverarbeitungseinheit 28 sowie der Regelungseinrichtung 26 der Bestimmungsschritt 102 mit Hilfe des Koordinatenmessgeräts 10 durchgeführt. Zur Durchführung des Bestimmungsschrittes kann zunächst ein Startwert für den zu erwartenden Fokus-Abstand 32 eingestellt bzw. eingegeben werden. Hierzu sind verschiedene Möglichkeiten denkbar, wie zum Beispiel, dass das Koordinatenmessgerät zunächst manuell von dem Bediener auf den zu erwartenden Fokus-Abstand 32 vor dem Starten des Bestimmungsschrittes eingestellt wird, oder, dass der Bediener den zu erwartenden Fokus-Abstand 32 am Beginn des Bestimmungsschrittes am Eingabegerät 30 eingibt, oder auch, dass die Datenverarbeitungseinheit 28 von sich aus zum Beispiel aufgrund bekannter Messungen in der Vergangenheit einen solchen zu erwartenden Fokus-Abstand 32 vorschlägt. Ausgehend von diesem zu erwartenden Fokus-Abstand 32 wird von der Datenverarbeitungseinheit 28 ein erster Fokusabstand 34 und ein zweiter Fokusabstand 36 gewählt.
Diese Wahl wird dabei so getroffen, dass der zwischen den beiden Fokusabständen resultierende erste Differenzabstand DA_a mit dem Bezugszeichen 59 ein Vielfaches der Schärfentiefe DOF beträgt gemäß DA_a = a·DOF mit einem Faktor a in einem Bereich 1 < a < 5, vorzugsweise in einem Bereich 2 < a < 4, weiter vorzugsweise gleich 3. Dieser Faktor a kann sowohl von der Datenverarbeitungseinheit 28 vorgegeben oder vorgeschlagen werden als auch vom Bediener eingegeben werden. Mit dem auf diese beiden Fokusabstände eingestellten Koordinatenmessgerät 10 werden anschließend Bildaufnahmen getätigt und diese werden hinsichtlich ihrer jeweiligen Gesamtintensität über alle Pixel ausgewertet. An die so erhaltenen Intensitätswerte wird seitens der Datenverarbeitungseinheit 28 eine Intensitäts-Gaußkurve als Funktion des Abstandes 22 angepasst. Anschließend wird durch die Datenverarbeitungseinheit 28 das Extremum 56 der Intensitäts-Gaußkurve ermittelt. Die Lage des Extremums 56 entspricht dann der wahrscheinlichen Lage 58 des besten Fokus.
Im Annäherungsschritt 104 werden ausgehend von der wahrscheinlichsten Lage 58 des besten Fokus mindestens drei verschiedene Fokusabstände 34'', 36'' und 58'' durch das Koordinatenmessgerät 10 eingestellt. Dabei entspricht der Fokusabstand 58'' der wahrscheinlichsten Lage 58 des besten Fokus. Bei allen drei eingestellten Fokusabständen 34'', 36'' und 58'' werden Bildaufnahmen getätigt und durch die Datenverarbeitungseinheit 28 hinsichtlich der Gesamtintensität ausgewertet. An die so erhaltenen Intensitätswerte wird wiederum eine Intensitäts-Gaußkurve angepasst und deren Extremum ermittelt. Aus der Lage des Extremums ergibt sich dann die Lage des besten Fokus näherungsweise. Der Differenzabstand DA_b bzw. das Suchintervall 66 ergibt sich im Annäherungsschritt als Funktion der Schärfentiefe DOF gemäß DA_b = b·DOF, wobei DA_b der größtmögliche Differenzabstand zwischen den mindestens drei Fokusabständen 34'', 36'' und 58'', sowie b ein Faktor in einem Bereich 0,25 < b < 2, vorzugsweise in einem Bereich 0,25 < b < 1,25, weiter vorzugsweise 1 ist. Dieser Faktor b kann sowohl von der Datenverarbeitungseinheit 28 vorgegeben oder vorgeschlagen werden, als auch vom Bediener eingegeben werden.
Im Kontrastauswertungsschritt 106 werden ausgehend von der näherungsweise bestimmten Lage des besten Fokus sogenannte Fokusstaffeln seitens des Koordinatenmessgeräts 10 abgefahren und die dabei erhaltenen Bildaufnahmen werden seitens der Datenverarbeitungseinheit 28 hinsichtlich einem Kontrastkriterium wie zum Beispiel dem eingangs erwähnten Graustufengradienten analysiert. Allerdings ist hierbei im Gegensatz zum Bestimmungsschritt der größtmögliche Differenzabstand der Fokusstaffel auf den Schärfetiefenbereich 47 oder auf einen Bruchteil davon begrenzt, da nur innerhalb des Schärfetiefenbereichs 47 hinreichend scharfe Bilder für die Anwendung eines Kontrastkriteriums gewonnen werden können. Dies wurde bereits oben im Zusammenhang mit der 2c näher erläutert. Anhand eines üblichen Kontrastkriteriums lässt sich dann die exakte Lage des besten Fokus recht präzise im Kontrastauswertungsschritt 106 ermitteln, da solche Kontrastkriterien nur unmittelbar um die Lage des besten Fokus auswertbar sind und somit ein sehr sensitives Instrument zur Auffindung des besten Fokus darstellen.
Es kann allerdings vorkommen, dass entweder die Abstände zwischen den einzelnen Aufnahmen der Fokusstaffel nicht optimal gewählt werden oder dass die analysierten Kontrastwerte so große Variationen aufweisen, so dass eine gewünschte hinreichende Präzision bei der Bestimmung der Lage des besten Fokus nicht erreicht wird.
Dementsprechend wird in einem Überprüfungsschritt 107 das Fehlerniveau bei der Bestimmung der Lage des besten Fokus bestimmt. Unterschreitet dieses Fehlerniveau einen bestimmten Schwellwert, so wird die Bestimmung der Lage des besten Fokus für gut befunden (Y) und es wird mit Schritt 108 fortgefahren. Wird allerdings das Fehlerniveau überschritten (N), so wird der Kontrastauswertungsschritt 106 noch einmal durchgeführt.
Im Schritt 108 wird dann die ermittelte exakte Lage des besten Fokus für eine anschließende Messung der zu vermessenden Oberfläche eingestellt und es wird dem Bediener die Möglichkeit gegeben zwischen verschiedenen Beleuchtungsarten und Beleuchtungsformen der zu vermessenden Oberfläche zu wählen. Alternativ können die zu wählenden Beleuchtungsarten und Beleuchtungsformen im Schritt 108 auch seitens der Datenverarbeitungseinheit 28 vorgegeben werden. Zum Beispiel können diese Beleuchtungsarten und Beleuchtungsformen in einem Prüfplan oder einem Messprotokoll hinterlegt sein.
Nach der Einstellung der Beleuchtung im Schritt 108 wird im Schritt 110 die eigentliche Messung der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks 12 durchgeführt. Dabei werden die in der Aufnahme durch die Datenverarbeitungseinheit 28 registrierten geometrischen Formen nach Anforderung durch den Bediener am Eingabegerät zum Beispiel auf einem Bildschirm zur weiteren Auswertung zur Verfügung gestellt.
Es kann allerdings hierbei auch vorkommen, dass der Bediener mit der Qualität der Aufnahme unzufrieden ist. Die Qualität der Messaufnahme wird daher in Schritt 111 von dem Bediener selbst überprüft und entweder für gut befunden (Y), wodurch der Messvorgang beendet wird (STOP), oder die Qualität der Messaufnahme wird für nicht ausreichend befunden (N), dann werden im Schritt 112 vom Bediener die Aufnahmebedingungen geändert und es wird zum Schritt 108 zurückgekehrt.
Falls eine hinreichend genaue Lage des besten Fokus bereits vor dem Start des Verfahrens 100 vorliegt, kann auch – wie bereits eingangs erwähnt – auf den Bestimmungsschritt 102 oder den Annäherungsschritt 104 verzichtet werden, so dass bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren 100 lediglich einer der beiden Intensitätsaus-Wertungsschritte zum Einsatz kommt.
Ebenso kann an dem Koordinatenmessgerät 10 ein Beleuchtungssystem vorgesehen sein, welches nicht in 1 dargestellt ist und welches zumindest Teile des für die Abbildung auf den Sensor 14 notwendigen Objektivs 44 für die Realisierung einer Hellfeld-Auflicht-Beleuchtung mitbenutzt. Hierdurch ist es dann möglich, dass zumindest für eine Wellenlänge des Beleuchtungslichts der Fokus des Beleuchtungslichts auf dem Hinweg von der Lichtquelle auf die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks 12 in der gleichen Ebene liegt wie der beste Fokus des Objektivs 44 für die Abbildung auf den Sensor 14. Durch eine solche Maßnahme lässt sich die Intensitäts-Gaußkurve überhöhen und dadurch die Bestimmung der wahrscheinlichen Lage 58 des besten Fokus beim Bestimmungsschritt sowie die näherungsweise Bestimmung der Lage des besten Fokus beim Annäherungs-schritt vereinfachen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2014/043470 [0011]

Claims

Verfahren (100) zum Ermitteln eines Fokus-Bildabstands eines mit einem Objektiv (44) versehenen optischen Sensors (14) eines Koordinatenmessgeräts (10) in Bezug auf die Oberfläche eines zu vermessendes Werkstück (12), wobei der optische Sensor (14) und/oder das Werkstück (12) in einer Z-Richtung (20) bewegbar sind, so dass ein Abstand (22) in der Z-Richtung (20) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14) veränderbar ist, mit wenigstens einem der folgenden Schritte: a. Einem Bestimmungsschritt (102), bei dem die Intensität eines ersten mit dem optischen Sensor (14) aufgenommenen Bildes der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks (12) bei einem ersten eingestellten Fokusabstand (34) und die Intensität eines zweiten mit dem optischen Sensor (14) aufgenommenen Bildes der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks (12) bei einem zweiten eingestellten Fokusabstand (36) bewertet werden, um daraus die wahrscheinlichste Lage (58) des besten Fokus in Relation zum ersten eingestellten b. Fokusabstand (34) und zum zweiten eingestellten Fokusabstand (36) zu bestimmen; Einem Annäherungsschritt (104), bei dem in der Nähe der wahrscheinlichsten Lage (58) des besten Fokus mindestens drei verschiedene Fokusabstände (34'', 36'', 58'') eingestellt werden und anhand der Intensitäten der dabei aufgenommenen Bilder die Lage des besten Fokus näherungsweise bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (100) einem Kontrastauswertungsschritt (106) umfasst, bei dem anhand von Kontrastkriterien die exakte Lage des besten Fokus bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (100) alle drei genannten Schritte umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Annäherungsschritt (104) nach dem Bestimmungsschritt (102) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontrastauswertungsschritt (106) nach dem Annäherungsschritt (104) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Bestimmungsschritt (102) ein erster Differenzabstand (59) zwischen dem ersten eingestellten Fokusabstand (34) und dem zweiten eingestellten Fokusabstand (36) gemäß DA_a = a·DOF gewählt wird, wobei DA_a der Differenzabstand (59), a ein Faktor und DOF eine Schärfentiefe (47) des Objektivs (44) ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor a in einem Bereich 1 < a < 5 liegt, vorzugsweise in einem Bereich 2 < a < 4 liegt, weiter vorzugsweise 3 ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Annäherungsschritt (104) ein zweiter Differenzabstand (66) zwischen den mindestens drei Fokusabständen gemäß DA_b = b·DOF gewählt wird, wobei DA_b der größtmögliche Differenzabstand (66) zwischen den mindestens drei Fokusabständen, b ein Faktor und DOF eine Schärfentiefe (47) des Objektivs (44) ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor b in einem Bereich 0,25 < b < 2 liegt, vorzugsweise in einem Bereich 0,25 < b < 1,25 liegt, weiter vorzugsweise 1 ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (44) ein beidseitig telezentrisches Zoom-Objektiv (44) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schärfentiefe (47) des Objekts gemäß
bestimmt wird, wobei DOF die Schärfentiefe (47) des Objektivs (44), V die Vergrößerung des Objektivs (44), insbesondere eine Axialvergrößerung, NA die bildseitige numerische Apertur bei der Vergrößerung und λ eine Referenzwellenlänge ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzwellenlänge in einem Bereich 400 nm ≤ λ ≤ 650 nm liegt, vorzugsweise 550 nm ist.
Koordinatenmessgerät (10) mit einem optischen Sensor (14) und einer Regelungseinrichtung (26) zur Fokussierung des optischen Sensors (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (26) zur Ausführung eines Verfahrens (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 eingerichtet ist.
Koordinatenmessgerät (10) nach Anspruch 13 mit einem Beleuchtungssystem zur Erzeugung einer Hellfeld-Auflicht-Beleuchtung, wobei zumindest Teile des Objektivs (44) auch zur Beaufschlagung der zu vermessenden Oberfläche mit Beleuchtungslicht für das Beleuchtungssystem mitgenutzt werden.
Koordinatenmessgerät (10) nach Anspruch 14, wobei das Beleuchtungssystem Licht mit Wellenlängen λ in einem Bereich 400 nm ≤ λ ≤ 650 nm emittiert und das Objektiv (44) wenigstens für eine Wellenlänge λ in dem genannten Bereich für das Beleuchtungssystem zur Erzeugung der Hellfeld-Auflicht-Beleuchtung auf der zu vermessenden Oberfläche dieselbe exakte Lage des besten Fokus aufweist wie für die Abbildung der zu vermessenden Oberfläche auf den Sensor (14).
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Programmcodemittel zur Durchführung eines Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Koordinatenmessgerät (10) ausgeführt wird.