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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines resultierenden Abbilds einer Oberfläche eines Messobjekts aus einem ersten und mindestens einem zweiten Abbild, wobei die Abbilder mittels eines Interferometers erzeugt werden.
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Die Vermessung von Oberflächen kann mittels sogenannter Interferometer erfolgen. Allerdings ist es möglich, dass eine große Oberfläche nicht durch ein einziges vom Interferometer erzeugtes Abbild abgebildet werden kann, sodass mehrere Abbilder erzeugt werden müssen, um die gesamte Oberfläche abzubilden.
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Bisher bekannt sind sogenannte Stitching-Interferometer, wobei zur Erzeugung eines resultierenden Abbilds aus mindestens zwei Abbildern eine Relativposition von Messobjekt zu dem Interferometer für jede Einzelaufnahme bekannt sein muss. Das resultierende Abbild wird dann in Abhängigkeit der Relativpositionen zusammengesetzt. Hierzu werden Positioniereinrichtungen für das Messobjekt und/oder für das Interferometer verwendet, die eine hochgenaue Erfassung der Relativlage ermöglichen. Dies ist z.B. in dem Dokument „T. Blümel et al., Stitching von großen Ebenen und sphärischen Flächen unter Produktionsbedingungen, Trioptics Berlin GmbH, DGaO-Proceedings 2013, ISSN: 1614-8436" offenbart, worin geeignete motorisierte Positionierelemente beschrieben werden.
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Weiter bekannt ist das Zusammensetzen mehrerer Kamerabilder, die jedoch nicht die Auflösung von interferometrisch erzeugten Abbildern erreichen. Z.B. beschreibt die
DE 10 2008 031 942 A1 ein Verfahren zur 3D-Digitalisierung eines Objekts, bei dem zur Ermittlung der 3D-Koordinaten des Objekts mehrere Kamerabilder des Objekts aufgenommen und zusammengesetzt werden. Die Druckschrift beschreibt zwar, dass das zu vermessende Objekt eine ausreichende 3D-Struktur aufweisen sollte, jedoch bezieht sich der Begriff 3D-Struktur auf die mit den in der Druckschrift gelehrten Kamerabildern abbildbare 3D-Strukturen. Die Druckschrift offenbart hierbei kein Interferometer. Weiter offenbart die Druckschrift, dass sogenannte 2D-Feature-Punkte auch aus CAD-Daten des Objekts ermittelt werden können. Weiter offenbart die Druckschrift, dass bei einer ungenügenden Struktur zur 3D-Digitalisierung eine 2D-Markierung aufgebracht werden kann.
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Weiter bekannt ist die
DE 10 2005 043 912 A1 , die ein Verfahren zum Bestimmen von 3D-Koordinaten eines Objektes offenbart. Die 3D-Koordinaten einer Teil-Oberfläche des Objekts werden durch ein 3D-Messgerät bestimmt, das einen oder mehrere Detektoren aufweist und dessen Position durch ein Trackingsystem bestimmt wird.
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Weiter bekannt ist die
DE 10 2009 032 262 A1 , die ein Verfahren zur Bestimmung der 3D-Koordinaten eines Objekts offenbart. Hierbei ist das Objekt von mehreren sogenannten Referenzkulissen mit kodierten Referenzmarken umgeben, wobei von dem Objekt mehrere Aufnahme derart hergestellt werden, dass darauf jeweils ein Teil des Objekts und ein Teil einer Referenzkulisse enthalten ist. Weiter bekannt ist die
DE 10 2010 034 987 A1 , die ebenfalls ein Verfahren zur 3D-Digitalisierung eines Objekts mit veränderlicher Oberfläche offenbart. Hierin werden zur Ermittlung der 3D-Koordinaten der Oberfläche des Objekts mehrere Kamerabilder von Teiloberflächen des Objekts aufgenommen und zusammengesetzt.
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Die
DE 10 2015 009 138 A1 und die
DE 10 2015 009 142 A1 betreffen ein/e Kugelform-Messverfahren und -vorrichtung und insbesondere ein/e Kugelform-Messverfahren und -vorrichtung, die die Form eines gesamten Teils einer Kugelfläche sogar im Fall eines erneuten Haltens der Kugel mit hoher Genauigkeit messen können. Hierbei wird ein Stitching-Arbeitsvorgang auf Grundlage einer Form eines Überlappungsbereichs durchgeführt.
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Das Dokument „Y. Yokoyama et. al., Sphericity Measurement Using Stitched Interferometry, Proceedings of JSPE autumn meeting, 2011, S. 868 bis 869 beschreibt eine Stitchingtechnik, die überlappende Teilflächen mittels einer Minimierung einer Datendiskrepanz in überlappenden Regionen kombiniert. Das Dokument beschreibt jedoch nicht die bildbasierte Bestimmung von Merkmalspunkten oder -bereichen.
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Es stellt sich das technische Problem, ein resultierendes Abbild aus einer Mehrzahl von Einzel-Abbildern zu erzeugen, wobei das resultierende Abbild mit einer hohen Genauigkeit erzeugt wird und ein Aufwand zur Erzeugung des resultierenden Abbilds minimiert wird.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Erzeugung eines resultierenden Abbilds einer Oberfläche eines Messobjekts aus einem ersten und mindestens einem zweiten Abbild. Das Erzeugen kann hierbei auch als Stitchen bezeichnet werden. Das erste und das zweite Abbild können auch als Einzel-Abbilder bezeichnet werden. Selbstverständlich kann das resultierende Abbild aus einer Vielzahl von Einzel-Abbildern erzeugt werden. Das Messobjekt kann beispielsweise eine Kugel sein oder einen kugelförmigen Abschnitt umfassen, deren Oberfläche abgebildet werden soll.
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Das resultierende Abbild kann hierbei in einem Referenzkoordinatensystem erzeugt werden. Hierbei kann eine Abbildungsvorschrift für genau eines der Abbilder oder für eine Anzahl ausgewählter Abbilder oder für alle Abbilder bekannt sein, durch die das Abbild aus einem Bildkoordinatensystem in das Referenzkoordinatensystem transformiert werden kann. Das Referenzkoordinatensystem kann insbesondere ein Kugelkoordinatensystem sein.
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Die Abbilder können hierbei insbesondere zweidimensionale Abbilder sein, die eine vorbestimmte Anzahl von Bildpunkten (Pixel) umfassen. Intensitätswerte, insbesondere Grauwerte, der Pixel können insbesondere Abstände zu der als Interferometer ausgebildeten Bilderfassungseinrichtung repräsentieren.
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Die Abbilder werden hierbei mit bzw. in voneinander verschiedenen Relativlagen zwischen dem Messobjekt und der Bilderfassungseinrichtung erzeugt. Eine Relativlage kann hierbei eine relative Position und/oder eine relative Orientierung zueinander bezeichnen. Somit ist es z.B. möglich, die Bilderfassungseinrichtung in verschiedene Positionen zu bewegen und/oder mit verschiedenen Orientierungen auszurichten, wobei für jede Position und/oder jede Orientierung ein Abbild des Messobjekts erzeugt wird. Selbstverständlich ist es alternativ oder kumulativ möglich, das Messobjekt in verschiedene Positionen zu bewegen und/oder mit verschiedenen Orientierungen auszurichten.
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Das Bewegen in verschiedene Positionen und/oder das Ausrichten mit verschiedenen Orientierungen kann hierbei mittels einer geeigneten Positioniereinrichtung erfolgen.
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Weiter wird ein Oberflächenbereich in zumindest einen Teilbereich des ersten Abbilds und in zumindest einen Teilbereich des weiteren Abbilds abgebildet. Dies bedeutet, dass ein Bereich der Oberfläche in beide Abbilder abgebildet wird. Der Teilbereich der Abbilder, in die der Oberflächenbereich jeweils abgebildet wird, kann hierbei auch als sogenannter Überlappungsbereich bezeichnet werden.
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Weiter werden zumindest in den Teilbereichen jedes Abbilds bildbasiert 2D-Merkmalsbereiche oder Merkmalspunkte bestimmt. Merkmalsbereiche können hierbei eine Mehrzahl von Bildpunkten umfassen. Weiter können Merkmalsbereiche vorbestimmte Eigenschaften, insbesondere bildbasiert bestimmbare Eigenschaften, aufweisen. Bildbasiert bestimmbare Eigenschaften können z.B. basierend auf dem/den Intensitätswert(en) bestimmbare Eigenschaften sein. Merkmalsbereiche können in Abhängigkeit dieser Eigenschaften detektiert werden. Eine Eigenschaft kann beispielsweise eine Eigenschaft einer Intensitätswertverteilung oder einer Verteilung von Differenzen zwischen Intensitätswerten sein.
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Ein 2D-Merkmalspunkt kann hierbei einen einzelnen Bildpunkt oder eine festgelegte Anzahl von Bildpunkten bezeichnen, wobei die festgelegte Anzahl ein charakteristisches Objektmerkmal abbildet. Auch der 2D-Merkmalspunkt kann vorbestimmte, insbesondere bildbasiert bestimmbare, Eigenschaften aufweisen, wobei der 2D-Merkmalspunkt in Abhängigkeit der Eigenschaft detektiert werden kann. 2D-Merkmalspunkte können beispielsweise Punkte sein, die eine Ecke oder eine Kante oder einen sogenannten Block abbilden.
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Verfahren zur Bestimmung von Merkmalsbereichen oder Merkmalspunkte sind hierbei dem Fachmann bekannt. So können beispielsweise sogenannte Keypoint-Detektionsverfahren verwendet werden, um 2D-Merkmalsbereiche oder Merkmalspunkte zu bestimmen.
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Es ist möglich, dass ein 2D-Merkmalsbereich bestimmt wird, in dem ein 2D-Merkmalspunkt bestimmt wird und ein Bereich vorbestimmter Größe, also mit einer vorbestimmten Anzahl von Bildpunkten, um den Merkmalspunkt herum bestimmt wird.
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Dieser Bereich kann dann den 2D-Merkmalsbereich bilden. Somit umfasst also der 2D-Merkmalsbereich den 2D-Merkmalspunkt und eine weitere Anzahl von Umgebungspunkten. Ein 2D-Merkmalspunkt kann z.B. ein Referenzpunkt, insbesondere ein Mittelpunkt, eines 2D-Merkmalsbereichs, sein.
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Weiter werden korrespondierende 2D-Merkmalsbereiche oder 2D-Merkmalspunkte in den Abbildern, insbesondere in den jeweiligen Abbildern, bestimmt. Diese korrespondierenden 2D-Merkmalsbereiche oder 2D-Merkmalspunkte können hierbei eine Teilmenge der 2D-Merkmalsbereiche bzw. 2D-Merkmalspunkte sein.
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Verfahren zur Bestimmung von korrespondierenden 2D-Merkmalsbereichen oder 2D-Merkmalspunkten sind hierbei dem Fachmann bekannt. Es ist z.B. möglich, korrespondierende Bereiche oder Punkte in Abhängigkeit von mindestens einer Eigenschaft des Bereichs oder des Punkts zu bestimmen. Korrespondierende Bereiche oder Punkte bezeichnen hierbei Bereiche oder Punkte der Abbilder, in die jeweils das gleiche Objektmerkmal oder der gleiche Objektbereich abgebildet wurde bzw. die jeweils das gleiche Objektmerkmal oder den gleichen Objektbereich abbilden.
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Weiter wird eine lagerichtige Anordnung der Abbilder zueinander in dem Referenzkoordinatensystem in Abhängigkeit der korrespondierenden 2D-Merkmalsbereiche oder 2D-Merkmalspunkte bestimmt.
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In einer lagerichten Anordnung kann die relative Position und relative Ausrichtung der Abbilder in dem Referenzkoordinatensystem zueinander der relativen Position und der relativen Ausrichtung der Teilbereiche der Oberfläche, die von den Abbilder abgebildet werden, zueinander entsprechen, von dieser abhängig sein bzw. diese korrekt wiedergeben. Insbesondere kann die lagerichtige Anordnung dann gegeben sein, wenn die Überlappungsbereiche der beiden Abbilder im Referenzkoordinatensystem die gleiche Position und Ausrichtung aufweisen oder in Position und Ausrichtung nicht mehr als ein vorbestimmtes Maß voneinander abweichen.
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Insbesondere kann die lagerichtige Anordnung der Abbilder derart bestimmt werden, dass ein Abstand, insbesondere ein bildbasiert bestimmbarer Abstand, zwischen korrespondierenden 2D-Merkmalsbereichen oder 2D-Merkmalspunkten minimiert wird.
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Weiter wird das resultierende Abbild aus den lagerichtig angeordneten Abbildern erzeugt. Insbesondere kann das resultierende Abbild in dem Referenzkoordinatensystem erzeugt werden. Mit anderen Worten kann das resultierende Abbild ein aus den Abbildern zusammengesetztes („gestichtes“) Abbild sein. Hierzu kann ein Abbild beispielsweise mittels einer geeigneten Transformation oder Rechenvorschrift lagerichtig im Referenzkoordinatensystem verortet werden, wobei die Transformation oder Rechenvorschrift z.B. derart ausgeführt wird, dass ein bildbasiert bestimmbarer Abstand zwischen korrespondierenden 2D-Merkmalsbereichen oder 2D-Merkmalspunkten minimiert wird.
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Hierbei kann das resultierende Abbild zumindest eines der Abbilder und die verbleibenden Teilbereiche des anderen Abbilds umfassen, wobei der verbleibende Teilbereich den Bereich des Abbilds ohne den Überlappungsbereich bezeichnet.
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Erfindungsgemäß werden das erste und das mindestens zweite Abbild mittels eines Interferometers erzeugt. Ein Abbild kann z.B. bis zu 1000×1000 Bildpunkte aufweisen. Eine laterale Auflösung des Interferometers kann beispielsweise in einem Bereich von 5 µm bis 50 µm liegen. Dies kann bedeuten, dass ein Bildpunkt einen Teilbereich der Oberfläche mit einer solchen Dimension abbildet. Eine axiale Auflösung des Interferometers kann z.B. in einem Bereich kleiner als 1 µm liegen. Somit können z.B. verschiedene Intensitätswerte eines Bildpunkts eine derartige Auflösung kodieren.
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Weiter wird in den Abbildern bildbasiert eine Oberflächentopografie bestimmt. Die Oberflächentopografie kann hierbei selbstverständlich in Form einer elektronisch speicherbaren und abrufbaren Repräsentation der Topografie bestimmt werden, z.B. in Form (eines Verlaufs) von Intensitätswerten. Insbesondere ist es möglich, dass die Oberflächentopografie in Form der von dem Interferometer erzeugten Abbilder oder in Abhängigkeit von diesen Abbildern bestimmt wird.
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Die Oberflächentopografie kann hierbei eine geometrische Gestalt der Oberfläche bezeichnen oder repräsentieren. Insbesondere kann als Oberflächentopografie ein Oberflächenprofil oder ein Höhenprofil der Oberfläche, bestimmt werden. Das Bestimmen einer Oberflächentopografie ermöglicht in vorteilhafter Weise dann das bildbasierte Bestimmen von Unebenheiten, insbesondere in Form von Wellen, Rillen, punktuellen Erhebungen oder Vertiefungen usw., die im Abbild abgebildet sind. Eine Unebenheit zur Bestimmung von 2D-Merkmalsbereichen oder -punkten kann hierbei eine sehr geringe Dimension aufweisen. Z.B. kann eine Unebenheit, insbesondere eine Vertiefung oder eine Erhöhung, eine Tiefe oder Höhe von maximal 1 µm aufweisen. Weiter kann eine Unebenheit, insbesondere eine punktuelle Erhebung oder Vertiefung, einen maximalen Durchmesser in einem Bereich von 50 µm bis 200 µm aufweisen.
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Die Unebenheiten bzw. deren Abbildung dienen hierbei als oder zur Bestimmung von 2D-Merkmalsbereiche oder 2D-Merkmalspunkte, die dann, wie vorhergehend erläutert, zum Bestimmen einer lagerichtigen Anordnung der Abbilder in dem Referenzkoordinatensystem verwendet werden. Die Unebenheiten bezeichnen somit insbesondere nicht aus Formmessabweichungen, insbesondere Rundheit-Formmessabweichungen, des Messobjekts resultierenden Unebenheiten, die in der Regel größere Dimensionen aufweisen.
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In Abhängigkeit der Oberflächentopografie kann beispielsweise eine Oberflächenrauheit bestimmt werden. Hierzu können dem Fachmann bekannte Verfahren, insbesondere optische Prüfverfahren, verwendet werden.
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Weiter werden die 2D-Merkmalsbereiche oder 2D-Merkmalspunkte in Abhängigkeit der Oberflächentopografie bestimmt. Insbesondere können 2D-Merkmalsbereiche oder 2D-Merkmalspunkte in Abhängigkeit von Topografieeigenschaften oder Topografiemerkmalen bestimmt werden. Diese können, wie vorhergehend erläutert, Eigenschaften bzw. Merkmale eines Oberflächen- oder Höhenprofils der Oberfläche sein.
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So können 2D-Merkmalsbereiche oder 2D-Merkmalspunkte z.B. charakteristische Punkte im Höhenprofil der Oberfläche sein, insbesondere lokale Minima und/oder lokale Maxima.
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Beispielsweise können 2D-Merkmalsbereiche Bereiche der gleichen Rauheit bezeichnen, wobei z.B. mindestens eine Kenngröße für die Rauheit in Bereichen gleicher Rauheit in einem vorbestimmten Wertebereich liegt. Auch können 2D-Merkmalsbereiche beispielsweise längliche Kratzer oder Rillen sein bzw. abbilden. 2D-Merkmalspunkte können insbesondere punktuelle Erhöhungen oder punktuelle Vertiefungen sein bzw. abbilden. Somit können 2D-Merkmalsbereiche Bereiche der Oberfläche mit einer Unebenheit sein bzw. abbilden.
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Weiter können 2D-Merkmalsbereiche oder 2D-Merkmalspunkte ausschließlich in einem Teilbereich jedes Abbildes bestimmt werden. Der Teilbereich kann hierbei in Abhängigkeit einer Relativlage zwischen dem Messobjekt und der Bilderfassungseinrichtung bestimmt werden. Hierzu kann eine Lage des Messobjekts und/oder eine Lage der Bilderfassungseinrichtung erfasst oder bestimmt werden, beispielsweise mittels geeigneter Lageerfassungseinrichtungen.
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Das Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise das Zusammensetzen mehrerer Einzel-Abbilder zu einem resultierenden Abbild in Abhängigkeit von bildbasiert bestimmbaren Topografieeigenschaften der Oberfläche, wobei diese Topografieeigenschaften mit einem Interferometer abgebildet werden. Durch die Bestimmung der 2D-Merkmalspunkte oder -bereiche wird ein zeitlich schnelles und wenig Rechenleistung beanspruchendes Verfahren ermöglicht. Somit können Strukturen mit sehr geringen Dimensionen zur Bestimmung von Landmarken und somit zum Stitchen und zur Bestimmung des resultierenden Abbilds genutzt werden. Diese Topografieeigenschaften resultieren jedoch insbesondere nicht aus zweidimensionalen Markierungen.
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In einer weiteren Ausführungsform wird vor der Erzeugung der Abbilder eine 3D-Struktur auf die Oberfläche des Messobjekts aufgebracht. Eine 3D-Struktur kann hierbei vollflächig auf die abzubildende Oberfläche des Messobjekts aufgebracht werden. Eine maximale Höhe (Dicke) der 3D-Struktur über der Oberfläche, auf der diese aufgebracht wird, kann beispielsweise in einem Bereich von bis zu 1 µm oder bis zu 10 µm liegen. Die 3D-Struktur kann hierbei derart ausgebildet und/oder angeordnet werden, dass die Oberflächentopografie des Messobjekts verändert wird. Insbesondere kann die 3D-Struktur derart ausgebildet und/oder angeordnet werden, dass das Messobjekt nicht zerstört wird, insbesondere auch nicht beim nachfolgenden Entfernen der 3D-Struktur. Die 3D-Struktur kann hierbei also von der Oberfläche entfernbar oder von der Oberfläche lösbar an das Messobjekt angebracht werden. Die 3D-Struktur kann hierbei z.B. derart ausgebildet und/oder angeordnet werden, dass die Oberfläche nach der Aufbringung eine vorbestimmte Rauheit aufweist.
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Die 3D-Struktur kann hierbei derart ausgebildet und/oder angeordnet werden, dass die Oberfläche nach der Aufbringung Erhebungen, Vertiefungen, Rillen oder ähnliche Strukturen aufweist. Diese durch die aufgebrachte 3D-Struktur erzeugten Unebenheiten können, wie vorhergehend erläutert, einen maximalen Durchmesser in einem Bereich von einem Bereich von 50 µm bis 200 µm aufweisen und/oder eine Höhe/Tiefe in einem Bereich kleiner als 1 µm.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass auch ein resultierendes Abbild einer Oberfläche von Messobjekten mit einer glatten Oberfläche erzeugt werden kann. Eine glatte Oberfläche kann hierbei keine oder eine nur unzuverlässige Bestimmung von 2D-Merkmalsbereichen oder 2D-Merkmalspunkten in Abhängigkeit der Oberflächentopografie ermöglichen.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die 3D-Struktur aufgedruckt. Hierbei kann insbesondere ein sogenanntes Tampon-Druckverfahren angewendet werden. Alternativ kann die 3D-Struktur aufgeklebt werden. Weiter alternativ kann die 3D-Struktur aufgesprüht werden. Weiter alternativ kann das Messobjekt mit der 3D-Struktur beschichtet werden. Weiter alternativ kann die 3D-Struktur aufgetragen werden, insbesondere mittels einer geeigneten Auftrageinrichtung. Weiter alternativ kann die 3D-Struktur aufgemalt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die 3D-Struktur eine Zufallsstruktur. Dies kann bedeuten, zumindest eine Eigenschaft der 3D-Struktur eine zufällige Eigenschaft ist oder eine Zufallsverteilung, insbesondere entlang der Oberfläche, aufweist. Beispielsweise können Abstände zwischen, insbesondere punktuellen, Erhebungen, die durch die 3D-Struktur gebildet werden, eine Zufallsverteilung aufweisen. Insbesondere kann ein Abstand zwischen einer Erhebung und der nächstliegenden Erhebung eine Zufallsverteilung aufweisen. Auch kann eine Höhe der 3D-Struktur entlang der Oberfläche eine Zufallsverteilung aufweisen.
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Durch Aufbringen einer 3D-Struktur, die eine Zufallsstruktur ist, kann in vorteilhafter Weise die Bestimmung von korrespondierenden 2D-Merkmalsbereichen oder Merkmalspunkten verbessert werden. Insbesondere kann eine Zuverlässigkeit der Bestimmung erhöht werden. Dies ergibt sich insbesondere daraus, dass bei einer Zufallsstruktur die Wahrscheinlichkeit, dass zwei oder mehr Merkmalsbereiche oder Merkmalspunkte in einem Abbild gleiche Eigenschaften aufweisen und deshalb fälschlicherweise als korrespondierend klassifiziert werden, minimiert wird.
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Die Zufallsstruktur kann hierbei auch als chaotische Struktur bezeichnet werden.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die 3D-Struktur eine systematische Struktur. Bei einer systematischen Struktur weist mindestens eine Eigenschaft der Struktur keine Zufallsverteilung auf.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache Bereitstellung der 3D-Struktur.
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In einer weiteren Ausführungsform werden die Abbilder hochpassgefiltert, bevor die 2D-Merkmalsbereiche oder 2D-Merkmalspunkte bestimmt werden. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass räumlich hochfrequente Strukturen der Abbilder erhalten werden, wobei räumlich niederfrequente Strukturen herausgefiltert werden. Dies vereinfacht wiederum das Bestimmen von 2D-Merkmalsbereichen und 2D-Merkmalspunkten und erhöht insbesondere die Zuverlässigkeit dieser Bestimmung. Eine Grenzfrequenz des Hochpassfilters kann insbesondere in einem Bereich von liegen.
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In einer weiteren Ausführungsform werden korrespondierende 2D-Merkmalsbereiche oder 2D-Merkmalspunkte in Abhängigkeit von Eigenschaften einer Bereichs- oder Punktumgebung bestimmt. Eine Eigenschaft einer Punktumgebung kann insbesondere eine Abstandsverteilung zwischen allen Merkmalspunkten einer vorbestimmten Menge von Merkmalspunkten bezeichnen, wobei die vorbestimmte Menge von Merkmalspunkten den Merkmalspunkt und alle weiteren Merkmalspunkte in einem vorbestimmten räumlichen Bereich um den Merkmalspunkt herum umfasst.
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Selbstverständlich können auch andere Eigenschaften einer Bereichs- oder Punktumgebung bestimmt werden. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine erhöhte Zuverlässigkeit bei der Bestimmung von korrespondierenden 2D-Merkmalsbereichen oder 2D-Merkmalspunkten erreicht.
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In einer weiteren Ausführungsform wird bildbasiert ein Zernike-Polynom zur Beschreibung der Oberfläche bestimmt, wobei die 2D-Merkmalsbereiche oder 2D-Merkmalspunkte in Abhängigkeit des Zernike-Polynoms, also der mathematischen Beschreibung, bestimmt werden. Beispielsweise können lokale Maxima des Zernike-Polynoms als 2D-Merkmalspunkte bestimmt werden. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine zuverlässigere Bestimmung von 2D-Merkmalsbereichen oder 2D-Merkmalspunkten, wobei insbesondere Fehler durch Messrauschen minimiert werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform wird vor der Bestimmung der 2D-Merkmalsbereiche oder 2D-Merkmalspunkte ein reduziertes Zernike-Polynom bestimmt, wobei das reduzierte Zernike-Polynom nur vorbestimmte Anteile des Zernike-Polynoms umfasst. Insbesondere umfasst das reduzierte Zernike-Polynom nur Anteile höherer Ordnung, beispielsweise alle Anteile mit einer Ordnung größer als 1, größer als 2, vorzugsweise größer als 3. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfach zu realisierende Hochpassfilterung, da durch die Anteile niedrigerer Ordnung die räumlich niederfrequenten Anteile aus dem Abbild herausgerechnet werden.
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Selbstverständlich kann nach Bestimmung der 2D-Merkmalsbereiche oder 2D-Merkmalspunkte der herausgefilterte Anteil bzw. die nicht berücksichtigten Anteile des Zernike-Polynoms wieder hinzugefügt werden, um das resultierende Abbild zu erzeugen.
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Weiter vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Erzeugung eines resultierenden Abbilds einer Oberfläche eines Messobjekts aus einem ersten und mindestens einem zweiten Abbild. Die Vorrichtung ermöglicht hierbei in vorteilhafter Weise die Durchführung eines Verfahrens gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen. Somit ist die Vorrichtung entsprechend ausgebildet.
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Die Vorrichtung umfasst insbesondere mindestens eine Bilderzeugungseinrichtung und mindestens eine Auswerteeinrichtung. Das erste und das mindestens zweite Abbild sind mittels der Bilderzeugungseinrichtung erzeugbar, wobei die Abbilder mit voneinander verschiedenen Relativlagen zwischen dem Messobjekt und der Bilderzeugungseinrichtung erzeugbar sind. Hierbei sind die Abbilder derart erzeugbar, dass ein Oberflächenbereich in zumindest einen Teilbereich des ersten Abbilds und in zumindest einen Teilbereich des weiteren Abbilds abgebildet wird. Hierbei sind zumindest in den Teilbereichen jedes Abbilds bildbasiert 2D-Merkmalsbereiche oder 2D-Merkmalspunkte bestimmbar, wobei weiter korrespondierende 2D-Merkmalsbereiche oder 2D-Merkmalspunkte in den Abbildern bestimmbar sind. Die Bestimmung der Bereiche oder Punkte sowie deren Korrespondenzen ist insbesondere mittels der Auswerteeinrichtung durchführbar. Weiter ist eine lagerichtige Anordnung der Abbilder in einem Referenzkoordinatensystem zueinander in Abhängigkeit der korrespondierenden 2D-Merkmalsbereiche oder 2D-Merkmalspunkte bestimmbar, insbesondere ebenfalls durch die Auswerteeinrichtung. Weiter ist das resultierende Abbild aus den lagerichtig angeordneten Abbildern erzeugbar, insbesondere wiederum durch die Auswerteeinrichtung.
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Erfindungsgemäß ist die Bilderzeugungseinrichtung als Interferometer ausgebildet, wobei in den Abbildern bildbasiert eine Oberflächentopografie bestimmbar ist, wobei die 2D-Merkmalsbereiche oder 2D-Merkmalspunkte in Abhängigkeit der Oberflächentopografie bestimmbar sind. Dies und entsprechende Vorteile wurden vorhergehend bereits erläutert.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung Mittel zur Positionierung des Messobjekts und/oder des Interferometers. Die Mittel zur Positionierung können insbesondere eine Positionierungsgenauigkeit größer als 1 µm, insbesondere auch größer als 1 mm, aufweisen. Somit kann das Verfahren auch bei einer relativ ungenauen Positioniergenauigkeit durchgeführt werden, wobei trotzdem ein resultierendes Abbild mit einer hohen Genauigkeit erzeugt werden kann. Weiter kann die Vorrichtung Mittel zur Aufbringung einer 3D-Struktur auf die Oberfläche des Messobjekts umfassen. Weiter kann die Vorrichtung Mittel zur Entfernung der 3D-Struktur von der Oberfläche umfassen.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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1a eine schematische Darstellung von Erfassungsbereichen eines Interferometers in verschiedenen Relativlagen,
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2 eine exemplarische Abbildung zweier Einzel-Abbilder und
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3 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Erzeugung eines resultierenden Abbilds rA (siehe 3) einer Oberfläche eines Messobjekts 2a, 2b dargestellt. Das resultierende Abbild rA kann beispielsweise zur Bestimmung von Formmessabweichungen des Messobjekts 2a, 2b, insbesondere einer Rundheit-Formmessabweichung, dienen.
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Hierbei sind zwei kugelförmige Messobjekte 2a, 2b dargestellt, wobei ein erstes kugelförmiges Messobjekt 2a gestrichelt dargestellt ist und einen kleineren Radius als ein zweites kugelförmiges Messobjekt 2b aufweist. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Interferometer 3 und eine Auswerteeinrichtung 4, die daten- und/oder signaltechnisch mit dem Interferometer 3 verbunden ist. Weiter umfasst die Vorrichtung 1 eine nicht dargestellte Positioniereinrichtung für das Interferometer 3, wobei mittels der Positioniereinrichtung 5 eine Relativlage zwischen dem zwischen dem Messobjekt 2a, 2b und dem Interferometer 3 veränderbar ist. Mittels der Positioniereinrichtung für das Interferometer 3 ist das Interferometer 3 entlang von drei senkrecht zueinander orientierten Raumrichtungen x, y, z bewegbar.
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Weiter umfasst die Vorrichtung 1 eine Positioniereinrichtung 5 für die Messobjekte 2a, 2b. Die Positioniereinrichtung 5 kann insbesondere als Dreh-Schwenk-Gelenk ausgebildet sein. Mittels der Positioniereinrichtung 5 können die Messobjekte 2a, 2b entlang der drei senkrecht zueinander orientierten Raumrichtungen x, y, z bewegt und um die Achsen A1, A2 verdreht werden, was durch Pfeile P dargestellt ist. Eine erste Drehachse A1 ist hierbei parallel zu einer lateralen Raumrichtung y, eine zweite Drehachse A2 ist parallel zu einer vertikalen Raumrichtung z.
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Weiter umfasst die Vorrichtung 1 einen Kollimator 7 und ein Objektiv 8. Ebenfalls dargestellt ist ein Erfassungsbereich 9 des Interferometers 3. Der Erfassungsbereich 9 kann einen Öffnungswinkel von 90° aufweisen. Je nach Größe des Messobjekts 2a, 2b und je nach Anordnung im Erfassungsbereich 9 sind verschiedenen Auflösungen erreichbar. Hierbei wird die Relativlage derart eingestellt, dass ein Brennpunkt des Interferometers 3 einem Mittelpunkt des kugelförmigen Messobjekts 2a, 2b entspricht.
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Wird beispielsweise angenommen, dass das Interferometer 3 oder die Auswerteeinrichtung 4 ein Abbild mit einer Größe von 1000×1000 Bildpunkten erzeugt und dass das erste kugelförmige Messobjekt 2a einen Radius von 5 mm aufweist, so kann ein Kreisbogenabschnitt von ca. 8 mmm Länge abgebildet und eine Auflösung von ca. 8 µm pro Bildpunkt erreicht werden. Für das zweite kugelförmige Messobjekt 2b, welches einen Radius von beispielsweise 15 mm aufweist, kann ein Kreisbogenabschnitt von ca. 24 mm Länge abgebildet und eine Auflösung von ca. 24 µm pro Bildpunkt erreicht werden.
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Zur Vermessung der Oberfläche der Messobjekte 2a, 2b werden Interferometer 3 und Messobjekt 2a, 2b derart relativ zueinander bewegt, dass die Teile der Oberfläche jeweils in Einzelabbildern eA1, eA2 (siehe 2) abgebildet werden.
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Dies ist schematisch in 1a dargestellt. Hierbei sind schematisch die Erfassungsbereiche 9 des Interferometers 3 in verschiedenen Relativlagen dargestellt, wobei das Messobjekt 2a gedreht wird und das Interferometer 3 ortsfest angeordnet ist. Diese Drehung des Messobjekts 2a ist durch einen Pfeil 6 schematisch dargestellt. Bildlich gesprochen überstreicht der Erfassungsbereich 9 des Interferometers 3 durch die Einstellung verschiedener Relativlagen die Oberfläche des Messobjekts 2a wie der Leuchtkegel der Sonne die Erdoberfläche. In jeder Relativlage erzeugt das Interferometer 3 ein Einzelabbild eA, welches den Teilbereich der Oberfläche des Messobjekts 2a abbildet, der in dieser Relativlage im Erfassungsbereich 9 angeordnet ist. Die erzeugten Einzelabbilder eA können elektronisch gespeichert werden, insbesondere in einer geeigneten Speichereinrichtung. Hierbei können die Einzelabbilder in einer geeigneten Datenstruktur gespeichert werden. Auch können die erzeugten Einzelbilder eA auf einer geeigneten Anzeigeeinrichtung dargestellt werden. In 1a ist darüber hinaus dargestellt, dass sich die Erfassungsbereiche 9 in verschiedenen Relativlagen teilweise überschneiden, insbesondere die Erfassungsbereiche 9 in unmittelbar aufeinander folgend eingestellten Relativlagen.
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In 2 sind exemplarisch zwei derart gespeicherte und/oder angezeigte Einzelabbilder eA1, eA2 dargestellt, wobei ein erstes Einzelabbild eA1 z.B. die Oberfläche eines Messobjekts 2a im Erfassungsbereich 9 eines Interferometers 3 in einer ersten Relativlage und ein zweites Einzelabbild eA2 die Oberfläche des Messobjekts 2a im Erfassungsbereich 9 des Interferometers in einer zweiten Relativlage abbildet, wobei die zweite Relativlage als die auf die erste Relativlage unmittelbar folgende Relativlage eingestellt wird. Ebenfalls dargestellt ist ein Überlappungsbereich UB der Einzelabbilder eA1, eA2. In 2 ist hierbei dargestellt, dass die erzeugten Einzelabbilder eA1, eA2 rechteckförmig sind. Dies ist jedoch nicht zwingend. Insbesondere können die Einzelbilder eA1, eA2 auch kreisförmig oder ovalförmig sein.
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Somit sind die Einzelabbilder eA1, eA2 derart erzeugbar, dass unmittelbar aufeinander folgend erzeugte Einzelabbilder eA1, eA2 einen Überlappungsbereich UB (siehe 2) aufweisen.
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In den Einzelabbildern eA1, eA2, insbesondere in den Überlappungsbereichen UB, sind 2D-Merkmalspunkte MP (siehe 2) bestimmbar. Diese 2D-Merkmalspunkte MP können Bildpunkte mit vorbestimmten, bildbasiert bestimmbaren Eigenschaften, z.B. Intensitätseigenschaften, sein.
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Weiter sind in unmittelbar nacheinander erzeugten Einzelabbildern eA1, eA2 zueinander korrespondierende 2D-Merkmalspunkte bestimmbar. Hierbei können alle in einem Einzelabbild eA1, eA2 bestimmten 2D-Merkmalspunkte MP einen korrespondierenden 2D-Merkmalspunkt bilden. Allerdings kann auch nur eine Teilmenge der in einem Einzelabbild eA1, eA2 bestimmten 2D-Merkmalspunkte MP korrespondierende Merkmalspunkte umfassen. Korrespondierende Merkmalspunkte können insbesondere Bildpunkte in den verschiedenen Einzelabbildern eA1, eA2 bezeichnen, in die jeweils der gleiche Objektbereich abgebildet wird. Somit kann ein Merkmalspunkt MP im ersten Einzelabbild eA1 zu einem Merkmalspunkt MP im zweiten Einzelabbild eA2 korrespondieren, wenn in die beiden Merkmalspunkte MP jeweils der gleiche Objektbereich abgebildet ist.
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Aus den verschiedenen Einzelabbildern eA1, eA2 kann dann ein resultierendes Abbild rA (siehe 3) in einem Referenzkoordinatensystem erzeugt werden. Das resultierende Abbild rA kann aus den Einzelabbildern eA1, eA2 zusammengesetzt werden. Hierzu kann es erforderlich sein, die Einzelabbilder eA1, eA2 in dem Referenzkoordinatensystem lagerichtig, also in einer korrekten Relativlage zueinander, anzuordnen bzw. zu verorten.
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Die lagerichtige Anordnung ermöglicht somit das korrekte Zusammensetzen („Stichen“) der Einzelabbilder eA1, eA2 zur Erzeugung eines resultierenden Abbilds rA eines Oberflächenbereichs aus diesen mehreren Einzelabbildern eA1, eA2.
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Eine lagerichtige Anordnung kann insbesondere dann gegeben sein, wenn das resultierende Abbild rA genau den Bereich der Oberfläche abbildet, der in den Erfassungsbereichen 9 des Interferometers 3 in den beiden Relativlagen, in denen die Einzelabbilder eA1, eA2 erzeugt wurden, angeordnet war. Insbesondere kann die lagerichtige Anordnung auch dann gegeben sein, wenn die Überlappungsbereiche UB der beiden Einzelabbilder eA1, eA2 im Referenzkoordinatensystem die gleiche Position und Ausrichtung aufweisen oder in Position und Ausrichtung nicht mehr als ein vorbestimmtes Maß voneinander abweichen.
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Das resultierende Abbild rA kann beispielsweise mittels der Auswerteeinrichtung 4 aus den lagerichtig angeordneten Abbilder eA1, eA2 erzeugbar sein.
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Die lagerichtige Anordnung kann insbesondere derart bestimmt werden, dass ein Abstand zwischen korrespondierenden 2D-Merkmalspunkten MP minimiert wird. Hierbei kann eine Lage der Einzelabbilder eA in einem Referenzkoordinatensystem derart bestimmt werden, dass die korrespondierenden 2D-Merkmalspunkte keine oder eine möglichst geringe Abweichung voneinander aufweisen. Dies kann insbesondere mittels eines Optimierungsverfahrens, beispielsweise mit einem sogenannten Least-Squares-Verfahren, erfolgen. Dem Fachmann sind aber selbstverständlich alternative Verfahren zur Abstandsminimierung bzw. zur Bestimmung der lagerichtigen Anordnung bekannt.
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Zum Bestimmen der 2D-Merkmalspunkte wird in den Einzelabbildern eA eine Oberflächentopografie, mit anderen Worten ein Höhenprofil der Oberfläche des Messobjekts, bestimmt. 2D-Merkmalspunkte werden dann in Abhängigkeit von Topographieeigenschaften bestimmt.
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2 zeigt eine schematische Ansicht einer abgebildeten Oberfläche O eines Messobjekts 2. Weiter dargestellt ist ein erstes Einzelabbild eA1 und ein zweites Einzelabbild eA2. Die Einzelabbilder eA1, eA2 sind hierbei derart erzeugt, dass ein Bereich der Oberfläche O sowohl in einen Teilbereich des ersten Einzelabbilds eA1 als auch in einen Teilbereich des zweiten Einzelabbilds eA2 abgebildet wird. Dieser Teilbereich kann als Überlappungsbereich UB bezeichnet werden. Wie in Bezug auf 1a erläutert, können hierzu die Einzelabbilder eA1, eA2 in voneinander verschiedenen Relativlagen zwischen einem Messobjekt 2a und einem Interferometer 3 erzeugt werden, wobei sich jedoch Erfassungsbereiche 9 des Interferometers 3 in diesen verschiedenen Relativlagen teilweise überschneiden. Weiter dargestellt ist, dass die Oberfläche O eine Zufallsstruktur aufweist, wobei die Zufallsstruktur dreidimensional ist. Hierbei repräsentieren schwarze Punkte punktuelle Erhebungen. Diese schwarzen Punkte können als 2D-Merkmalspunkte MP in den Einzelabbildern eA1 bestimmt werden. Der Übersichtlichkeit halber ist nur ein solcher 2D-Merkmalspunkt MP mit einem Bezugszeichen versehen. Hierbei ist möglich, dass die dargestellte 3D-Struktur vor der Erzeugung der Einzelabbilder eA auf die Oberfläche des Messobjekts 2 aufgebracht, insbesondere aufgedruckt, wird.
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Weiter ist ein Referenzkoordinatensystem dargestellt, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel ein kartesisches Koordinatensystem mit zwei Raumrichtungen x, y ist. Selbstverständlich kann das Referenzkoordinatensystem auch ein Polarkoordinatensystem sein, insbesondere wenn das Messobjekt kugelförmig ist. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann eine lagerichtige Anordnung der Einzelabbilder eA1, eA2 bestimmt werden, indem Koordinaten eines oder beider Abbilder eA1, eA2 entlang der Raumrichtungen x, y verschoben werden, bis korrespondierende 2D-Merkmalspunkte einen minimalen Abstand aufweisen. Selbstverständlich kann auch eines oder beide Abbilder um eine Vertikalachse, die senkrecht zu den Raumrichtungen x, y orientiert ist, verdreht werden. Ist das Referenzkoordinatensystem ein Polarkoordinatensystem, so können entsprechend Winkel und Abstände verändert werden.
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In 3 ist ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In einem ersten Schritt S1 wird eine dreidimensionale 3D-Struktur vollflächig auf die abzubildende Oberfläche des Messobjekts 2 (siehe 1) aufgebracht. In einem zweiten Schritt S2 werden in einer vorbestimmten Anzahl von Teilschritten Einzelabbilder eA von der Oberfläche O des Messobjekts 2 erzeugt, wobei für jedes Einzelabbild voneinander verschiedene Relativlagen zwischen dem Messobjekt 2 und im Interferometer 3 (siehe 1) eingestellt werden.
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In einem dritten Schritt S3 werden die erzeugten Einzelabbilder hochpassgefiltert. Dies kann beispielsweise auch erfolgen, indem ein Zernike-Polynom für jedes Einzelabbild eA bestimmt wird, welches die Oberflächentopografie annähert. Dann kann ein reduziertes Zernike-Polynom bestimmt werden, welches nur Anteile des Zernike-Polynoms umfasst, deren Ordnung größer als 3 ist.
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In einem vierten Schritt S4 werden 2D-Merkmalspunkte MP (siehe z.B. 2) in Abhängigkeit des reduzierten Zernike-Polynoms bestimmt.
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In einem fünften Schritt S5 werden in zwei unmittelbar aufeinander folgend erzeugten Einzelabbildern eA, insbesondere nur in deren Überlappungsbereich UB (siehe 2), korrespondierende 2D-Merkmalspunkte MP bestimmt.
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In einem sechsten Schritt S6 wird dann in Abhängigkeit der korrespondierenden 2D-Merkmalspunkte eine lagerichtige Anordnung der Einzelabbilder in einem Referenzkoordinatensystem bestimmt.
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In einem siebten Schritt S7 wird dann aus allen Einzelabbildern ein resultierendes Abbild rA erzeugt.
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Ist das Messobjekt 2 eine Kugel, so kann ebenfalls noch eine lagerichtige Anordnung zwischen dem ersten Einzelabbild eA und einem zuletzt erzeugten Einzelabbild eA bestimmt werden, da diese einen Überlappungsbereich UB aufweisen, wenn das Interferometer 3 vollständig um das Messobjekt 2 herum bewegt wurde.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2a, 2b
- Messobjekt
- 3
- Interferometer
- 4
- Auswerteeinrichtung
- 5
- Positioniereinrichtung
- 6
- Pfeil
- 7
- Kollimator
- 8
- Objektiv
- x, y, z
- Raumrichtungen
- eA1, eA2, eA
- Einzelabbilder
- UB
- Überlappungsbereich
- MP
- Merkmalspunkt
- O O
- berfläche
- S1, ..., S7
- Schritte
- rA
- resultierendes Abbild
- P
- Pfeil
- A1, A2
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008031942 A1 [0004]
- DE 102005043912 A1 [0005]
- DE 102009032262 A1 [0006]
- DE 102010034987 A1 [0006]
- DE 102015009138 A1 [0007]
- DE 102015009142 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „T. Blümel et al., Stitching von großen Ebenen und sphärischen Flächen unter Produktionsbedingungen, Trioptics Berlin GmbH, DGaO-Proceedings 2013, ISSN: 1614-8436“ [0003]
- Y. Yokoyama et. al., Sphericity Measurement Using Stitched Interferometry, Proceedings of JSPE autumn meeting, 2011, S. 868 bis 869 [0008]
