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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kalibrierstruktur und ein Kalibrieverfahren zur Kalibrierung von optischen Messgeräten. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren eines sogenannten Profilprojektors, das heißt eines Messgeräts, das ein 2D-Bild des Messobjekts auf einer Anzeige bereitstellt, um beispielsweise die Position und/oder den Verlauf einer Objektkante zu messen.
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DE 198 05 040 A1 beschreibt ein gattungsgemäßes Messgerät mit einem Werkstücktisch zur Ablage eines Messobjekts und mit einer Kamera, die oberhalb von dem Werkstücktisch angeordnet und vertikal nach unten verfahrbar ist. Unterhalb des Werkstücktisches ist eine Lichtquelle angeordnet, die das Messobjekt im sogenannten Durchlicht beleuchtet. Das mit der Kamera aufgenommene Bild zeigt das Messobjekt folglich als Silhouette. Nähere Details des Messverfahrens sind hier allerdings nicht beschrieben.
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Ein Beispiel eines digitalen Profilprojektors ist in
US 2010/0225666 A1 offenbart. Dieser Profilprojektor erzeugt ein digitales Bild von einem Messobjekt, und eine Zeichnung des Messobjekts wird diesem Bild auf einer Anzeige überlagert, um prüfen zu können, ob das Messobjekt innerhalb von vordefinierten Werkstücktoleranzen mit der Zeichnung übereinstimmt.
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Es ist bekannt, dass die Abbildungsobjekt eines realen optischen Systems und folglich auch die Kamera eines realen optischen Messgerätes stets Abbildungsfehler besitzen, die zum Teil auf Fertigungstoleranzen und zum Teil auf Kompromisse beim Optikdesign und/oder auf grundlegende physikalische Phänomene zurückzuführen sind. Die Abbildungsfehler repräsentieren die Abweichung der realen Abbildungsoptik von einer idealen, nur theoretisch möglichen optischen Abbildung. Typische Abbildungsfehler sind sphärische Aberration, Astigmatismus, Koma, Bildfeldwölbung (Focal Plane Deviation, FPD) und Verzeichnung. Um die Messgenauigkeit eines optischen Messgerätes zu erhöhen, können die Abbildungsfehler in dem durch die Abbildungsoptik aufgenommenen Bild rechnerisch vor, bei oder nach der eigentlichen Bildauswertung korrigiert werden, wobei in einem vorhergehenden Kalibriervorgang gewonnene Korrekturwerte verwendet werden. Beispielsweise beschreibt
US 6,538,691 B1 eine computerimplementierte Korrektur von Bildverzeichnungen einer digitalen Kamera.
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Die bekannten Verfahren und Messgeräte und die dort verwendeten Kalibrierverfahren sind noch nicht optimal, insbesondere in Fällen, in denen die Abbildungsoptik mit unterschiedlichen Arbeitsabständen zu einem Werkstücktisch eingestellt werden kann. Häufig sind die Abbildungsfehler nur für einen bestimmten Arbeitsabstand optimal minimiert.
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Darüber hinaus gehen die bekannten Verfahren und Messgeräten in der Regel von einer Punktbild-Näherung aus, bei der zum Beispiel die Verzeichnung lediglich als Maßstabsfehler bei der Abbildung eines Punktes berücksichtigt wird, wodurch Abbildungsfehler höherer Ordnung, die sich auf die Verzeichnung auswirken, nicht berücksichtigt werden. Ferner berücksichtigen die bekannten Verfahren und Messgeräte auch nicht, dass selbst die softwaretechnisch vorgenommene Bildauswertung zum Beispiel in Form einer Kantenauswertungen einen Einfluss auf die festgestellte Verzeichnung des Messgeräts ausübt.
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Angesichts dessen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kalibrierstruktur und ein Kalibrierverfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die einerseits eine Gewinnung von genauen Kalibrierdaten für ein optisches Messgerät unter Berücksichtigung von Abbildungsfehler höherer Ordnung sowie unter Berücksichtigung des Einflusses der Auswertesoftware ermöglichen und dadurch andererseits eine in Bezug auf Messzeit und Kosten effiziente Messung an einem Messobjekt mit hoher Messgenauigkeit mittels des kalibrierten optischen Messgeräts ermöglichen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Kalibrierstruktur zur Kalibrierung optischer Messgeräte gelöst, wobei die Kalibrierstruktur mehrere in einer Ebene aneinander angrenzende Zonen umfasst, wobei die Zonen entlang gerader Linien und/oder gekrümmter Linien aneinander angrenzen und die Kalibrierstruktur sowohl Zonen aufweist, die entlang gerader Linien aneinander angrenzen als auch Zonen aufweist, die entlang gekrümmter Linien aneinander angrenzen, wobei die Zonen, die entlang gerader Linien aneinander angrenzen, oder die Zonen, die entlang gekrümmter Linien aneinander angrenzen, jeweils zueinander andere optische Eigenschaften aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Kalibrierstruktur unterscheidet sich von herkömmlichen Kalibrierstrukturen mit Schachbrettmustern durch zusätzliche gekrümmte Linien, die entsprechend den bekannten Schachbrettmustern aneinander angrenzende Zonen unterschiedlicher optischer Eigenschaften trennen. Durch die zusätzlichen gekrümmten Linien ist es nun möglich, eine höhere Dichte an Zonen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften pro Flächeneinheit auf der Kalibrierstruktur unterzubringen und gleichzeitig die Länge aller in einem Kreuzungspunkt sich treffenden Linien für die Gewinnung von Kalibrierwerten zu erhöhen. Hierbei ist zu beachten, dass sich gekrümmte Linien, insbesondere in Form von Kreisbögen, im Hinblick auf eine Kantenauswertung ebenso leicht auswerten lassen wie gerade Linien. Entsprechende Softwarealgorithmen stehen in Standardbibliotheken zur Bildauswertung bzw. Bildbearbeitung zur Verfügung.
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Durch die neue erfindungsgemäße Kalibrierstruktur ist es nun möglich, innerhalb des zu betrachtenden Objektfeldes eines optischen Messgeräts die Verzeichnung an mehr Stützstellen des Objektfeldes als bisher auszuwerten. Dies gilt insbesondere für optische Messgeräte bei denen konventionelle Kalibrierstrukturen mit dem bekannten Schachbrettmuster bereits mit der Periodenlänge des Schachbrettmusters die laterale Auflösungsgrenze des optischen Messgeräts im Objektfeld erreicht haben. Eine weitere Verdichtung des Schachbrettmusters zur Steigerung der Stützstellendichte für eine Verzeichnungskalibrierung ist in einem solchen Falle sinnlos.
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Dementsprechend erlaubt die neue erfindungsgemäße Kalibrierstruktur im Vergleich zu einer bekannten Kalibrierstruktur mit Schachbrettmuster bei gleicher Periodenlänge des Musters die Anzahl der Stützstellen für eine Verzeichnungskorrrektur bzw. Verzeichnungskalibrierung wesentlich zu erhöhen. Hierdurch können dann auch Abbildungsfehler höherer Ordnung, die auf die Verzeichnung des Bildfeldes Einfluss nehmen und die sich durch eine höhere laterale Ortsfrequenz bzw. niedrigere Periodenlänge im Bildfeld auszeichnen, durch die Kalibrierung erfasst werden. Darüber hinaus ermöglicht die neue erfindungsgemäße Kalibrierstruktur, den Einfluss der Auswertesoftware auf die festgestellte Verzeichnung besser zu erfassen, da einerseits die Stützstellendichte erhöht wurde und da andererseits auch die Anzahl der Wechsel der optischen Eigenschaften an den geraden und an den gekrümmten Linien erhöht wurde. Hierdurch ist es möglich, dicht benachbart neben Punkten mit einem Übergang der optischen Eigenschaft von zum Beispiel hell zu dunkel auch Punkte mit dem gegenteiligen Übergang von dunkel zu hell zu finden, so dass ein etwaiger Bildfehler aufgrund einer unzureichenden softwaretechnischen Kantenauswertung, der z.B. die Kantenlage des hell-dunkel-Übergangs mehr in die dunklen Zonen verlegt, durch eine entsprechende Auswertung der benachbarten Punkte mit dem gegenteiligen Übergang korrigiert werden kann.
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In einer Ausführungsform sind die jeweils zueinander anderen optischen Eigenschaften durch die komplementären optischen Eigenschaften der jeweils anderen Zone gegeben. Unter einer komplementären optischen Eigenschaft wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine gegenteilige optische Eigenschaft der jeweiligen Zonen der Kalibrierstruktur wie hell zu dunkel, reflektierend zu absorbierend, links zirkular zu rechts zirkular polarisierend oder auch eine Komplementärfarbe wie rot zu cyan, grün zu magenta oder blau zu gelb usw. verstanden. Diese komplementären optischen Eigenschaften der jeweiligen Zonen der neuen erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur können aber auch erst unter bestimmten Beleuchtungssituationen, wie zum Beispiel eine Durchlicht- oder Auflichtbeleuchtung, hervortreten. Entsprechend können auch unterschiedliche Beleuchtungswellenlängen zu komplementären optischen Eigenschaften führen. Ebenso kann der Polarisationszustand des Beleuchtungslichts in Wechselwirkung mit den jeweiligen Zonen zu einer komplementären optischen Eigenschaft der jeweiligen Zonen führen. Komplementäre optische Eigenschaften haben nun den Vorteil, dass sie sich hinsichtlich der softwaretechnischen Kantenauswertung dahingehend ausnutzen lassen, dass bei der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur der Übergang von Zonen mit komplementären optischen Eigenschaften benachbart zu einem anderen Übergang von Zonen mit umgekehrten Eigenschaften stattfindet, so dass aus der Differenzbetrachtung der benachbarten Übergänge auf Unzulänglichkeiten der softwaretechnischen Auswertung des Übergangs Rückschüsse gezogen werden können und somit die eigentlichen Fehler der Abbildungsoptik von denen der Auswertesoftware getrennt werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform umfassen die optischen Eigenschaften hierbei wenigstens eine der folgenden Eigenschaften: Transmissionsvermögen, Reflexionsvermögen und Polarisationsvermögen. Kalibrierstrukturen mit den genannten optischen Eigenschaften lassen sich kostengünstig, zum Beispiel durch das Bedampfen von Glasplatten, herstellen. Darüber hinaus lassen sich entsprechende Kalibrierstrukturen sowohl mittels Auflichtbeleuchtung als auch mittels Durchlichtbeleuchtung verwenden. Letzteres hat bei der Verwendung einer entsprechenden Chromschichtmaske als Kalibrierstruktur den Vorteil, dass die optischen Eigenschaften der Zonen beim Umschalten von Auflichtbeleuchtung auf Durchlichtbeleuchtung ihre jeweiligen optischen Eigenschaften in die dazu komplementären optischen Eigenschaften verwandeln. Somit kann hierbei durch eine Differenzbetrachtung der Aufnahmen der Kalibrierstruktur bei unterschiedlicher Beleuchtung der softwaretechnische Kantenauswertefehler für jeden der Bildpunkte direkt ermittelt werden, ohne dass es hierzu einer Betrachtung der Bildpunkte in der Nachbarschaft bedarf.
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In einer Ausführungsform umfasst die Kalibrierstruktur ein plattenförmiges Substratmaterial und die optischen Eigenschaften einiger der genannten Zonen resultiert aus einer Beschichtung des plattenförmigen Substratmaterials. Hierdurch lassen sich besonders kostengünstige Kalibrierstrukturen herstellen, da zum Beispiel die Abdeckung von plattenförmigen Substratmaterialien beim Beschichten einfach realisiert werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das plattenförmige Substratmaterial ein plattenförmiger Glasträger und die genannte Beschichtung ist durch eine Chrombeschichtung realisiert. Eine solche Kalibrierstruktur lässt sich kostengünstig mittels lithographischen Methoden herstellen und bietet die Umkehrung der optischen Eigenschaften der Zonen beim Umschalten von Auflicht- auf Durchlichtbeleuchtung eines optischen Messgeräts.
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In einer anderen Ausführungsform ist das plattenförmige Substratmaterial ein plattenförmiger Glasträger und durch die genannte Beschichtung wird ein Bandpassfilter realisiert, der mehr Beleuchtungslicht mit einer Wellenlänge von weniger als 500 nm bei senkrechten Einfallswinkel transmittiert als Beleuchtungslicht mit einer Wellenlänge von mehr als 600 nm oder umgekehrt. Diese Ausführungsform ist eine alternative Ausführungsform zur Chrombeschichtung, die ebenso wie diese eine Umkehrung der optischen Eigenschaften der Zonen beim Umschalten von Auflicht- auf Durchlichtbeleuchtung eines optischen Messgeräts bewirkt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das plattenförmige Substratmaterial ein plattenförmiger Glasträger und durch die genannte Beschichtung wird ein sogenannter Polarisationsfilter realisiert. Hierzu werden in der Regel dünne Metallschichten mit einer feinen Streifenstruktur auf dem Glasträger abgeschieden. Die so hergestellten Drahtgitterpolarisatoren lassen nur elektromagnetische Wellen durch den Polarisator passieren, die quer zur Streifenstruktur linear polarisiert sind. Insbesondere in Verbindung mit einer LED- bzw. LCD-Lichtquelle als Durchlichtbeleuchtung, welche selbst wiederum in der Regel linear polarisiertes Beleuchtungslicht erzeugt, lässt sich somit die Wirkung der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur beim Einsatz der Durchlichtbeleuchtung erzeugen, indem dabei die Zonen mit der entsprechenden Beschichtung das polarisierte Beleuchtungslicht beim Durchtritt blockieren.
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In einer Ausführungsform sind die jeweils zueinander anderen optischen Eigenschaften nur für eine bestimmte Wellenlänge im Bereich zwischen 400 nm und 700 nm gegeben und die jeweils zueinander anderen optische Eigenschaften weisen bei einer anderen Wellenlänge des genannten Bereichs andere optische Eigenschaften auf, so dass das Verhältnis der optischen Eigenschaften bei der anderen Wellenlänge im Vergleich zu dem Verhältnis der optischen Eigenschaften bei der bestimmten Wellenlänge umgekehrt wird. Dies hat ebenso den Vorteil, dass durch die Wahl der Beleuchtungswellenlänge für die Beleuchtung der Kalibrierstruktur zwischen den komplementären optischen Eigenschaften der Zonen der Kalibrierstruktur umgeschaltet werden kann, so dass durch eine Differenzbetrachtung der Aufnahmen der Kalibrierstruktur bei unterschiedlichen Beleuchtungswellenlängen der softwaretechnische Kantenauswertefehler für jeden der Bildpunkte direkt ermittelt werden kann ohne dass es hierzu einer Betrachtung der Bildpunkte in der Nachbarschaft bedarf.
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In einer Ausführungsform weist die Kalibrierstruktur Punkte auf, an denen mehrere Zonen zusammenkommen und die sich als Schnittpunkte der genannten geraden und der genannten gekrümmten Linien auszeichnen, wobei die Kalibrierstruktur wenigstens ein Bereich mit einer regelmäßige Abfolge der genannten Zonen und Linien aufweist, woraus eine regelmäßige Anordnung der genannten Punkte resultiert, die durch einen regelmäßigen kürzesten Abstand mit der Länge L der genannten Punkte zueinander gegeben ist, wobei die geraden Linien und die gekrümmten Linien in Form von Kreisbögen in einem Punkt beginnen und in einem hiervon benachbarten Punkt enden und wobei die Länge aller in einem Punkt beginnenden bzw. endenden Linien mehr als 4·L insbesondere mehr als 9·L beträgt. Indem die gekrümmten Linien und die geraden Linien in dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur in Schnittpunkten der Kalibrierstruktur ihren Ausgang nehmen bzw. dort Enden stellen die Zonen rings um diese Schnittpunkte so etwas ähnliches wie ein Siemensstern zur Ermittlung des Auflösungsvermögens des optischen Messgeräts dar. Dadurch ist es nun möglich, alternativ oder zusätzlich zu den oben diskutieren Möglichkeiten der Differenzbetrachtung von sich umkehrenden komplementären optischen Eigenschaften benachbarter Punkte der Kalibrierstruktur bzw. der Differenzbetrachtung der Kantenauswertung bei unterschiedlichen Beleuchtungssituationen eine Bewertung des Einflusses von softwaretechnischen Unzulänglichkeiten bei der Kantenauswertung auf die Verzeichnungsmessung vorzunehmen.
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Durch die Siemensstern-artige Oberflächenstruktur der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur lässt sich nun anhand bekannter Kontrastauswertungen feststellen, welche Punkte eines Übergangs von Zonen der Kalibrierstruktur noch mit einem ausreichenden Auflösungsvermögen durch das optische Messgerät abgebildet werden und welche nicht. Somit können diejenigen Punkte, bei denen das Auflösungsvermögen nicht ausreicht, von einer weiteren Kantenauswertung für die Verzeichnungskalibrierung des optischen Messgeräts ausgeschlossen werden. Von daher fließen nur diejenigen Punkte der abgebildeten Kalibrierstruktur in die Verzeichnungskalibrierung ein, die auch mit einem ausreichenden Kontrast und damit auch mit einer geringen softwaretechnischen Unzulänglichkeit hinsichtlich der Kantenauswertung eines Zonenübergangs behaftet sind.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Kalibrierstruktur mindestens einen weiteren Bereich mit mindestens einer weiteren Zone auf, wobei dieser mindestens eine weitere Bereich bzw. diese mindestens eine weitere Zone keine oder eine andere Abfolge von Zonen bzw. Linien aufweist als der wenigstens eine Bereich mit einer regelmäßigen Abfolge von Zonen und Linien. Dadurch, dass wenigstens ein Bereich der Kalibrierstruktur in seinen die Symmetrie bestimmenden Zonen bzw. Linien von dem oder den restlichen Bereichen der Kalibrierstruktur abweicht, ist es möglich, den Kalibrierfehler aufgrund intrinsischer Fehler der Kalibrierstruktur von dem Kalibrierfehler aufgrund der Abbildungsfehler des optischen Messgeräts zu trennen, indem der fragliche Bereich mit abweichender Symmetrie zur Kalibrierung an verschiedene Feldpunkte des Messfeldes positioniert wird.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Kalibrieren von optischen Messgeräten mittels einer erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- – Positionieren der Kalibrierstruktur innerhalb des Messbereichs des optischen Messgeräts;
- – Beleuchten der Kalibrierstruktur mittels einer Auflicht- und/oder Durchlichtbeleuchtung;
- – Tätigen einer Aufnahme der Kalibrierstruktur mittels eines Sensorchips des optischen Messgeräts;
- – Auswerten der getätigten Aufnahme hinsichtlich der Kantenlagen der Kalibrierstruktur innerhalb der getätigten Aufnahme;
- – Berechnung von Kalibrierwerten anhand der festgestellten Kantenlage;
- – Speichern der Kalibrierwerte in einer Korrekturdatei.
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Indem mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur die Kantenlagen von Übergängen der optischen Eigenschaften der unterschiedlichen Zonen in den getätigten Aufnahmen bzw. Bildern ermittelt werden, können Kalibrierwerte für das optische Messgerät gewonnen werden, welche der Ablage der aufgenommenen Kanten gegenüber nominellen Sollpositionen dieser Kanten bei einem idealen optischen Messgerät entsprechen. Somit können zukünftige Aufnahmen des optischen Messgeräts unter Berücksichtigung dieser in einer Korrekturdatei abgespeicherten Kalibrierwerte korrigiert werden. Erfindungsgemäß führt die Verwendung der neuen erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur für das Kalibrierverfahren nun dazu, dass eine höhere Dichte an Kalibrierwerten pro Flächeninhalt der getätigten Aufnahme bzw. des Bildes im Vergleich zu herkömmlichen Kalibrierstrukturen mit Schachbrettmustern erzielt wird. Hierdurch werden einerseits der Einfluss von Abbildungsfehler höherer Ordnung sowie andererseits der Einfluss der softwaretechnischen Auswertung von Kantenlagen auf den festgestellten Verzeichnungsfehler stärker als bisher berücksichtigt.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Schritte: Beleuchten einer Kalibrierstruktur; Tätigen einer Aufnahme; Auswerten der getätigten Aufnahme und Berechnung von Korrekturwerten bei zwei verschiedenen Beleuchtungssituationen und/oder zwei verschiedenen Beleuchtungswellenlängen durchgeführt und die Berechnung von Korrekturwerten erfolgt anhand einer Differenzbetrachtung der beiden hierbei getätigten Aufnahmen der Kalibrierstruktur. Wie oben bereits erwähnt, ist es möglich, anhand einer Differenzbetrachtung der Kantenauswertung bei unterschiedlichen Beleuchtungssituationen bzw. unterschiedlichen Beleuchtungswellenlängen eine Bewertung des Einflusses von softwaretechnischen Unzulänglichkeiten bei der Kantenauswertung auf die Verzeichnungsmessung vorzunehmen.
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In einer Ausgestaltung ist hierbei eine der beiden Beleuchtungssituationen durch eine Auflichtbeleuchtung und die andere der beiden Beleuchtungssituationen durch eine Durchlichtbeleuchtung gegeben. Hierdurch lässt sich die Differenzbetrachtung zum Beispiel anhand einer kostengünstigen Chrommaske als erfindungsgemäßer Kalibrierstruktur vornehmen.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird bei einer der beiden Beleuchtungssituationen ein bestimmter Polarisationsgrad des Beleuchtungslichts eingestellt, der sich von dem Polarisationsgrad des Beleuchtungslichts der anderen der beiden Beleuchtungssituationen unterscheidet. Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt im Zusammenhang mit einer entsprechend ausgestalteten erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur eine einfache Möglichkeit dar, zum Beispiel bei monochromatischer Auflicht- oder Durchlichtbeleuchtung komplementäre optische Eigenschaften der unterschiedlichen Zonen zu erzeugen.
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In einer weiteren Ausgestaltung beträgt eine der zwei verschiedenen Beleuchtungswellenlängen zur Aufnahme der Kalibrierstruktur weniger als 500 nm und die andere der zwei verschiedenen Beleuchtungswellenlängen zur Aufnahme der Kalibrierstruktur mehr als 600 nm. Hierdurch ist es wiederum möglich, insbesondere im Zusammenhang mit Auflichtbeleuchtung und einer erfindungsgemäß farbigen Kalibrierstruktur, in einfacher Weise komplementäre optische Eigenschaften der unterschiedlichen Zonen zu erzeugen.
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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.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines optischen Messgeräts,
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2 eine schematische Darstellung einer Kalibrierstruktur des Standes der Technik mit Schachbrettmuster,
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3 eine schematische Darstellung der Trennlinien und Schnittpunkte der Kalibrierstruktur des Standes der Technik mit Schachbrettmuster gemäß 2,
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4 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur,
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5 eine schematische Darstellung der Trennlinien und Schnittpunkte der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur gemäß 4, und
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6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel des neuen Messgeräts in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Das Messgerät 10 besitzt einen Werkstücktisch 12, auf dem hier ein Messobjekt 14 angeordnet ist. Mit der Bezugsziffer 16 ist ein Interessenbereich (ROI) bezeichnet, indem beispielsweise eine Kante des Messobjekts 14 verläuft. Beispielsweise soll die Position der Kante und/oder der Kantenverlauf gemessen werden.
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Oberhalb von dem Werkstücktisch 12 ist eine Kamera 18 mit einem Bildsensor 20 und einer Abbildungsoptik 22 angeordnet. Die Kamera 18 blickt hier also senkrecht von oben auf das Messobjekt 14, was eine typische Anordnung für solche Messgeräte ist. Alternativ oder ergänzend hierzu könnte die Kamera 18 oder eine weitere Kamera (hier nicht dargestellt) jedoch in einer anderen Orientierung relativ zu dem Messobjekt angeordnet sein.
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Der Bildsensor 20 ist in den bevorzugten Ausführungsbeispielen ein CMOS- oder CCD-Sensor mit einer Vielzahl von matrixartig angeordneten Pixeln. Die Abbildungsoptik 22 ist in bevorzugten Ausführungsbeispielen eine zumindest objektseitig telezentrische Abbildungsoptik. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Abbildungsoptik 22 objekt- und bildseitig telezentrisch. Prinzipiell könnte die Abbildungsoptik 22 jedoch auch eine nicht-telezentrische Abbildungsoptik sein.
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In jedem Fall beinhaltet die Abbildungsoptik 22 optische Elemente (hier nicht dargestellt), insbesondere Linsen, mit deren Hilfe das Messobjekt 14 in an sich bekannter Weise auf den Bildsensor 20 abgebildet wird. Die Abbildung ist in der Realität nicht ideal, d.h. die Abbildungsoptik 22 besitzt konstruktionsbedingte und/oder individuelle Abbildungsfehler, die zur Folge haben, dass das vom Bildsensor 20 aufgenommene Bild des Messobjekts 14 von dem realen Messobjekt 14 abweicht. Insbesondere kann die Abbildungsoptik 22 eine fokusabhängige Verzeichnung haben. Aufgrund der Verzeichnung kann die Kante im Interessenbereich 16 verschoben, verdreht und/oder verzerrt in dem Kamerabild erscheinen, was im Hinblick auf die Messgenauigkeit nachteilig ist. Daher ist es zur Erhöhung der Messgenauigkeit üblich, das von dem Bildsensor 20 aufgenommene Bild anhand von Kalibrierwerten rechnerisch zu korrigieren. Die Kalibrierwerte werden typischerweise an einer Kalibrierstruktur mit bekannten dimensionalen Eigenschaften bestimmt, siehe hierzu die nachfolgende Beschreibung der 2 bis 6.
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Wie bei der Bezugsziffer 24 angedeutet ist, besitzt die Kamera 18 eine verstellbare Arbeitsposition bzw. einen verstellbaren Arbeitsabstand 24 relativ zu dem Werkstücktisch 12 und dem darauf angeordneten Messobjekt 14. Der Arbeitsabstand 24 korreliert insbesondere mit der Fokussierung der Abbildungsoptik 22 auf das Messobjekt 14. Unterschiedliche Fokussierungen entsprechen daher unterschiedlichen Arbeitspositionen. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Kamera 18 senkrecht zu dem Werkstücktisch 12 verfahren werden, was hier mit einem Pfeil 25 angedeutet ist. Üblicherweise wird diese Verstellrichtung als Z-Achse bezeichnet. Alternativ und/oder ergänzend kann die Abbildungsoptik eine variable Fokussierung besitzen, die beispielsweise mithilfe von relativ zueinander beweglichen Linsenelementen realisiert ist. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Kamera 18 zudem in einer horizontalen Ebene, die typischerweise als X-Y-Ebene bezeichnet wird, relativ zu dem Werkstücktisch 12 bzw. dem Messobjekt 14 verfahren werden. In anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen können die Kamera 18 und der Werkstücktisch 12 in der X-Y-Ebene starr zueinander angeordnet sein.
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Mit der Bezugsziffer 26 ist eine Beleuchtungseinheit bezeichnet, die hier unterhalb des Werkstücktisches 12 angeordnet ist. Dementsprechend ist der Werkstücktisch 12 in diesem Ausführungsbeispiel zumindest teilweise lichtdurchlässig. Das Messobjekt 14 ist hier zwischen der Kamera 18 und der Beleuchtungseinheit 26 angeordnet, so dass die Kamera 18 das Werkstück 14 mit einer sogenannten Durchlichtbeleuchtung aufnimmt. Alternativ oder ergänzend kann das Messgerät 10 in weiteren Ausführungsbeispielen eine sogenannte Auflichtbeleuchtung besitzen, mit der das Messobjekt 14 von oben bzw. schräg zur Blickrichtung der Kamera 18 beleuchtet wird.
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Mit der Bezugsziffer 28 ist eine Auswerte- und Steuereinheit bezeichnet. Die Auswerte- und Steuereinheit 28 steuert einerseits die Arbeitsposition der Kamera 18 relativ zu dem Messobjekt 14 sowie die Bildaufnahme. Andererseits ermöglicht die Auswerte- und Steuereinheit 28 die Bildauswertung und somit die Bestimmung von Messwerten, die die gesuchten dimensionalen Eigenschaften des Messobjekts repräsentieren. Darüber hinaus führt die Auswerte- und Steuereinheit 28 die Korrektur des von der Kamera 18 aufgenommenen Bildes anhand der Kalibrierwerte durch.
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Zu diesem Zweck besitzt die Auswerte- und Steuereinheit einen Prozessor 30 sowie einen oder mehrere Speicher 32, 34, 36, die mit dem Prozessor 30 kommunikativ verbunden sind. Beispielhaft ist hier ein erster Speicher 32 dargestellt, in dem die Kalibrierwerte abgelegt sind, die die individuellen Abbildungsfehler der Abbildungsoptik 22 für eine definierte Arbeitsposition 24 repräsentieren. Die Kalibrierwerte im Speicher 32 ermöglichen somit eine rechnerische Korrektur dieser Abbildungsfehler.
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Mit der Bezugsziffer 38 ist eine Anzeige bezeichnet, die einerseits eine Schnittstelle darstellt, über die ein Bediener einen oder mehrere Interessenbereiche 16 definieren kann. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Anzeige 38 ein Touchscreen-Monitor und der Bediener kann anhand eines angezeigten Bildes 40 von dem Messobjekt 14 einen oder mehrere Interessenbereiche 16 festlegen. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Definition von Interessenbereichen anhand von CAD-Daten 42 erfolgen, die Soll-Eigenschaften des Messobjekts 14 repräsentieren. Alternativ oder ergänzend kann auf der Anzeige 38 ein aktuelles Bild von dem Messobjekt 14 angezeigt werden und der Bediener kann Interessenbereiche 16 anhand des aktuellen Bildes definieren. Es versteht sich, dass alternativ oder ergänzend zu einem Touchscreen-Monitor eine Bedienung über eine Maus und/oder Tastatur oder ein anderes Eingabemedium möglich ist.
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In den nachfolgenden Figuren sowie in den entsprechenden Figurenbeschreibungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils dieselben Elemente wie in 1. Allerdings sind die nachfolgend beschriebenen Kalibrierstrukturen bzw. Kalibrierverfahren nicht auf den Einsatz bei dem in 1 beschriebenen optischen Messgerät 10 beschränkt, sondern können auch bei anderen optischen Messgeräten eingesetzt werden.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Kalibrierstruktur 1a des Standes der Technik mit Schachbrettmuster zur Kalibrierung optischer Messgeräte, wie zum Beispiel dem optischen Messgerät 10 in 1. Solche Kalibrierstrukturen 1a des Standes der Technik werden in der Regel durch Chrommasken auf Glasträgern realisiert, bei denen die nicht von Chrom bedeckten Bereiche lichtdurchlässig sind und somit bei einer Durchlichtbeleuchtung im Kamerabild des optischen Messgeräts 10 hell erscheinen. Bei einer alternativen Auflichtbeleuchtung hingegen reflektieren die mit Chrom bedeckten Bereiche und erscheinen dadurch im Kamerabild des optischen Messgeräts 10 hell.
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Die mit einer solchen Kalibrierstruktur 1a aufgenommenen Kamerabilder des optischen Messgeräts 10 können mittels Standardsoftware hinsichtlich der Kantenlage eines hell-dunkel-Übergangs untersucht werden. Somit ist es möglich, die Lage aller Kanten der Kalibrierstruktur 1a im Bild der Kamera 18 zu ermitteln. Diese Lage der Kanten wird aufgrund der Abbildungsfehler der Abbildungsoptik 22 verzeichnet sein, d.h. die Kanten werden sich nicht entlang gerader Linien erstrecken und sie werden sich auch nicht exakt im rechten Winkel schneiden. In der Regel wird eine tonnenförmige oder eine kissenförmige Verzeichnung der Abbildungsoptik 22 als Abbildungsfehler in erster Näherung für diese Abweichung der Kantenlage von einem idealen Linienmuster eines Schachbretts verantwortlich sein. Das ideale bzw. exakte Linienmuster ist hierbei durch das Schachbrettmuster der Kalibrierstruktur 1a gegeben, welches sich in der Regel im Vergleich zu den Abbildungsfehlern der Abbildungsoptik 22 mit vernachlässigbaren Fehlern herstellen lässt.
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Unter Vernachlässigung der Herstellungsfehler der Kalibrierstruktur 1a stellen somit die Abweichungen der festgestellten Kantenlage gegenüber einem idealen Linienmuster, welches durch mathematische Gleichungen für die Geraden des Linienmusters gegeben ist, die Messfehler der Abbildungsoptik 22 des optischen Messgeräts 10 dar. Diese bezüglich der lokalen Messpunkte des Messfeldes festgestellten Abweichungen bzw. Messfehler können als Kalibrierwerte in einer Datei bzw. einem Speicher 32 des optischen Messgeräts 10 gespeichert werden und zur Korrektur zukünftiger Messungen herangezogen werden. Bei einer solchen Korrektur, wird dann die lokal festgestellte Kantenlage des Messbildes um den Abweichungsbetrag der gespeicherten Kalibrierwerte an dieser lokalen Stelle des Messfeldes korrigiert.
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Die 3 zeigt nun das ideale Linienmuster der Kalibrierstruktur 1a als eine schematische Darstellung der Trennlinien und Schnittpunkte der Kalibrierstruktur 1a mit Schachbrettmuster gemäß 2. In der 3 ist die Umgebung P eines Schnittpunktes der Trennlinien hervorgehoben. In diesem Schnittpunkt schneiden sich zwei Trennlinien der Kalibrierstruktur 1a. Wird nun jedem der Schnittpunkte der Kalibrierstruktur 1a eine Gesamtlänge der sich in dem Schnittpunkt treffenden Trennlinien zugeordnet, so beträgt die Gesamtlänge in jedem der Schnittpunkte 2·L, wobei L durch die Kantenlänge eines der Schachbrettfelder gegeben ist. Zur Veranschaulichung ist dies in 3 durch die kreisförmige Umgebung P eines Schnittpunkts hervorgehoben, wobei die Umgebung P zwei Abschnitte von zwei Trennlinien mit der Gesamtlänge von 2·L umschließt, die sich in diesem Schnittpunkt schneiden.
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Somit lässt sich bei einer Kalibrierstruktur 1a des Standes der Technik die Umgebung eines Feldpunktes des Messfeldes eines optischen Messgeräts 10, der für die nachfolgende Betrachtung ohne Beschränkung der Allgemeinheit einfach mit einem Schnittpunkt gleichgesetzt werden kann, anhand einer Kantenauswertung von Kanten der Gesamtlänge von 2·L kalibrieren.
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Eine Erhöhung der Kalibriergenauigkeit für ein optisches Messgerät 10 mittels klassischer Kalibrierstrukturen 1a des Standes der Technik bedeutet nun, dass diese Gesamtlänge der auswertbaren Kanten der Kalibrierstruktur 1a erhöht werden muss. Damit verbunden muss aber die Anzahl der Schachbrettfelder pro Flächeneinheit der Kalibrierstruktur 1a erhöht werden. Dieses Vorgehen, zur Erhöhung der Kalibriergenauigkeit ein immer feineres Schachbrettmuster zu verwenden, ist jedoch nur bis zum Erreichen der Auflösungsgrenze der Abbildungsoptik 22 eines optischen Messgeräts 10 sinnvoll. Nach dem Erreichen der Auflösungsgrenze können keine genaueren bzw. höher aufgelösten Kalibrierwerte für das Messfeld des optischen Messgeräts 10 mehr erhalten werden.
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Die 4 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur 1, wobei die 5 analog zu der 3 eine schematische Darstellung der Trennlinien und Schnittpunkte der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur 1 gemäß 4 zeigt.
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Die Kalibrierstruktur 1 der 4 zur Kalibrierung optischer Messgeräte zeichnet sich durch mehrere in einer Ebene aneinander angrenzende Zonen 2 aus, wobei die Zonen 2 entlang gerader Linien 3 und/oder gekrümmter Linien 4 aneinander angrenzen. Dabei weist die Kalibrierstruktur 1 sowohl Zonen 2 auf, die entlang gerader Linien 3 aneinander angrenzen als auch Zonen 2, die entlang gekrümmter Linien 4 aneinander angrenzen. Diejenigen Zonen 2, die entlang gerader Linien 3 aneinander angrenzen, oder diejenigen Zonen 2, die entlang gekrümmter Linien 4 aneinander angrenzen, weisen hierbei jeweils zueinander andere optische Eigenschaften auf.
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Zum Beispiel kann sich eine Zone der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur 1 analog zu einer Zone der Kalibrierstruktur 1a in 2 durch eine Chrombeschichtung auf einem Glasträger auszeichnen und eine angrenzende Zone lediglich durch den unbeschichteten Glasträger. Diese beiden Zonen weisen jeweils zueinander andere optische Eigenschaften auf. Die Zone mit der Chrombeschichtung ist bei Durchlichtbeleuchtung lichtundurchlässig und erscheint daher im Kamerabild dunkel. Hingegen ist diese Zone mit Chrombeschichtung bei Auflichtbeleuchtung reflektierend und erscheint daher im Kamerabild hell. Die angrenzende Zone mit dem unbeschichteten Glasträger weist nun hierzu andere optische Eigenschaften auf. Bei Durchlichtbeleuchtung erscheint diese Zone im Kamerabild hell und bei Auflichtbeleuchtung mangels Reflexion dunkel.
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Insbesondere können die jeweils zueinander anderen optischen Eigenschaften der angrenzenden Zonen 2 der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur 1 der 4 durch die komplementären optischen Eigenschaften der jeweils anderen Zone 2 gegeben sein, wie dies bereits eingangs erwähnt wurde und wie dies zum Beispiel bei der zuvor erwähnten Chrommaske der Fall ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann hierzu die Kalibrierstruktur 1 auch aus einem Glasträger bestehen, auf dem durch eine Beschichtung ein Bandpassfilter in einigen der Zonen 2 realisiert ist, wobei der Bandpassfilter mehr Beleuchtungslicht mit einer Wellenlänge von weniger als 500 nm bei senkrechten Einfallswinkel transmittiert als Beleuchtungslicht mit einer Wellenlänge von mehr als 600 nm oder umgekehrt. Hierdurch lässt sich zum Beispiel das Beleuchtungslicht im Durchtritt in den Beschichteten Zonen im Gegensatz zu den unbeschichteten Zonen in den bläulichen Spektralbereich verschieben oder umgekehrt, wodurch die spektrale Sensitivität der Kamera im Hinblick auf die Kantenauswertung untersucht bzw. kalibriert werden kann.
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Ferner kann die Kalibrierstruktur 1 alternativ oder zusätzlich auch aus einem Glasträger bestehen, auf dem durch eine Beschichtung ein sogenannter Polarisationsfilter realisiert ist. Hierzu werden in der Regel dünne Metallschichten mit einer feinen Streifenstruktur auf dem Glasträger abgeschieden. Die so hergestellten Drahtgitterpolarisatoren lassen nur elektromagnetische Wellen durch den Polarisator passieren, die quer zur Streifenstruktur linear polarisiert sind. Insbesondere in Verbindung mit einer LED- bzw. LCD-Lichtquelle als Durchlichtbeleuchtungseinheit 26 des optischen Messgeräts 10, wobei die Lichtquelle selbst wiederum in der Regel linear polarisiertes Beleuchtungslicht erzeugt, lässt sich somit die Wirkung der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur 1 beim Einsatz der Durchlichtbeleuchtungseinheit 26 erzeugen, indem dabei die Zonen 2 mit der mit der entsprechenden Beschichtung das polarisierte Beleuchtungslicht beim Durchtritt durch die Kalibrierstruktur 1 blockieren.
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Darüber hinaus können die jeweils zueinander anderen optischen Eigenschaften der Zonen 2 der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur 1 der 4 nur für eine bestimmte Wellenlänge im Bereich zwischen 400 nm und 700 nm gegeben sein und es können die jeweils zueinander anderen optische Eigenschaften bei einer anderen Wellenlänge des genannten Bereichs andere optische Eigenschaften aufweisen, so dass das Verhältnis der optischen Eigenschaften bei der anderen Wellenlänge im Vergleich zu dem Verhältnis der optischen Eigenschaften bei der bestimmten Wellenlänge umgekehrt wird.
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Hierzu kann die Kalibrierstruktur 1 zum Beispiel Zonen 2 in einer bestimmten Farbe aufweisen sowie angrenzende Zonen 2 in einer anderen Farbe, so dass die Kalibrierstruktur 1 bei einer Auflichtbeleuchtung mit einer Wellenlänge von zum Beispiel 400 nm in den zueinander angrenzenden Zonen ein Verhältnis des Reflexionsvermögens aufweist, welches sich bei der Nutzung einer Auflichtbeleuchtung mit einer Wellenlänge von 700 nm gerade umkehrt.
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Die 5 zeigt nun das ideale Linienmuster der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur 1 als eine schematische Darstellung der Trennlinien und Schnittpunkte der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur 1 gemäß 4. Hervorgehoben ist in 5 die Umgebung P5 eines Punktes der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur 1, an dem mehrere Zonen zusammenkommen und der sich als Schnittpunkt der geraden und der gekrümmten Linien 3; 4 auszeichnet. Dabei weist die erfindungsgemäße Kalibrierstruktur 1 wenigstens einen Bereiche auf, der sich durch eine regelmäßige Abfolge der Zonen 2 und Linien 3; 4 auszeichnet, woraus eine regelmäßige Anordnung solcher Punkte, wie dem zentralen Punkt der Umgebung P5, resultiert, die durch einen regelmäßigen kürzesten Abstand mit der Länge L der genannten Punkte zueinander gegeben ist. Hierbei beginnen die geraden Linien 3 und die gekrümmten Linien 4 in Form von Kreisbögen in einem Punkt und enden in einem hiervon benachbarten Punkt, wobei die Länge aller in einem dieser Punkte beginnenden bzw. endenden Linien 3; 4 mehr als 4·L, insbesondere mehr als 9·L beträgt.
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Der kürzeste Abstand mit der Länge L der Schnittpunkte der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur 1 der 4 entspricht dabei der Kantenlänge L eines Schachbrettfeldes der Kalibrierstruktur 1a des Standes der Technik gemäß 2 bzw. 3. Somit ist im Zusammenhang mit den Erläuterungen zu 3 ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Kalibrierstruktur 1 die Gesamtlänge der auswertbaren Kanten gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöht, was eine Erhöhung der Kalibriergenauigkeit bzw. eine Erhöhung der Kalibrierwerte pro Flächeneinheit des Messfeldes mit sich bringt. Damit ermöglicht die erfindungsgemäße Kalibrierstruktur 1 eine Erhöhung der auswertbaren Katen pro Flächeneinheit um nahezu einen Faktor 5 gegenüber vergleichbaren Kalibrierstrukturen 1a des Standes der Technik mit vergleichbaren Kantenlängen L, ohne dass dazu im Gegenzug die Kantenlänge L der zugrundeliegenden Elementarzelle der Kalibrierstruktur selbst um diesen genannten Faktor schrumpfen muss. Von daher wird durch die neue erfindungsgemäße Kalibrierstruktur 1 gemäß 4 auch ein sonst notwendiges Arbeiten bzw. Kalibrieren an der Auflösungsgrenze der Abbildungsoptik 22 eines optischen Messgeräts 10 mittels herkömmlichen Kalibrierstrukturen vermieden.
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Durch die Siemensstern-artige Oberflächenstruktur der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur 1 lässt sich nun darüber hinaus auch anhand bekannter Kontrastauswertungen feststellen, welche Punkte eines Übergangs von Zonen 2 der Kalibrierstruktur 1 noch mit einem ausreichenden Auflösungsvermögen durch das optische Messgerät 10 abgebildet werden und welche nicht. Somit können diejenigen Punkte, bei denen das Auflösungsvermögen nicht ausreicht, von einer weiteren Kantenauswertung für die Verzeichnungskalibrierung des optischen Messgeräts ausgeschlossen werden. Von daher fließen nur diejenigen Punkte der abgebildeten Kalibrierstruktur 1 in die Verzeichnungskalibrierung ein, die auch mit einem ausreichenden Kontrast und damit auch mit einer geringen softwaretechnischen Unzulänglichkeit hinsichtlich der Kantenauswertung eines Zonenübergangs behaftet sind. Dies gilt im besonderen Maße dann, wenn für die Kantenlänge L der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur 1 eine so kleine Länge gewählt wird, die dazu führt, dass die in einem Schnittpunkt zusammenlaufenden Linien mangels Auflösungsvermögen der Abbildungsoptik 22 des optischen Messgeräts nicht mehr richtig abgebildet werden können.
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Die Gesamtlänge aller Kanten innerhalb der Umgebung P5 der 5 beträgt bei der erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur 2·L (horizontal + vertikal) + √2·2·L (diagonal) + π·√2·L (8 Kreissegmente = 1 Vollkreis) und damit im Ergebnis gerundet 9,3·L. Hierbei ist zu beachten, dass die verwendeten Kreissegmente hinsichtlich einer Kantenauswertung aufgrund von Standardsoftware aus Standardbibliotheken ebenso zugänglich sind wie Geraden. Die erfindungsgemäße Kalibrierstruktur 1 der 4 zeichnet sich darüber hinaus auch noch dadurch aus, dass sie insbesondere im Randbereich von der regelmäßigen Anordnung der Linein- und Zonenstruktur des Zentralbereichs der Kalibrierstruktur 1 abweicht. Wenigsten ein Bereich bzw. eine Zone 2 der Kalibrierstruktur 1 ist hierbei im Vergleich zu allen anderen Bereichen bzw. Zonen 2 der Kalibrierstruktur 1 anders strukturiert und weist demzufolge ein anderes Linienmuster zur Zonenbegrenzung auf. Dieser Bereich bzw. diese Zone 2 kann dazu genutzt werden, intrinsische Fehler der Kalibrierstruktur 1 durch zum Beispiel eine unzureichende Fertigung der Kalibrierstruktur 1 von den Abbildungsfehlern des optischen Messgeräts 10 zu trennen, indem der fragliche Bereich bzw. die fragliche Zone 2 an verschiedenen Feldpunkten des Messfeldes durch ein Verschieben der Kalibrierstruktur 1 positioniert wird und dann in dieser Position eine Kalibrierung durchgeführt wird. Damit ist es dann möglich, Fehleranteile in den Kalibrierwerten zu identifizieren, die sich mit der Kalibrierstruktur 1 mitbewegen im Gegensatz zu Fehleranteilen, die unabhängig von dieser Bewegung vorliegen. Dieses Vorgehen spielt allerdings erst dann eine Rolle, wenn es gilt, die Kalibriergenauigkeit des optischen Messgeräts 10 über die Fertigungsgenauigkeit der Kalibrierstruktur 1 hinaus zu steigern.
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Die 6 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens 5 zum Kalibrieren von optischen Messgeräten 10 mittels einer erfindungsgemäßen Kalibrierstruktur 1. In einem ersten Vorbereitungsschritt wird zunächst die erfindungsgemäße Kalibrierstruktur 1 innerhalb des Messbereichs des optischen Messgeräts 10 positioniert. Anschließend wird in einem zweiten Vorbereitungsschritt des Kalibrierverfahrens die Kalibrierstruktur 1 mittels einer Auflicht- und/oder einer Durchlichtbeleuchtung beleuchtet. Sodann wird in einem Schritt 6 des Kalibrierverfahrens eine Aufnahme der Kalibrierstruktur 1 mittels eines Sensorchips 20 des optischen Messgeräts 10 getätigt. Diese getätigte Aufnahme wird anschließend im Schritt 7 mittels einer Steuer- und Auswerteeinheit 30 hinsichtlich der Kantenlagen der Kalibrierstruktur 1 innerhalb der getätigten Aufnahme ausgewertet. Hierzu werden Standardalgorithmen zur Kantenauswertung aus bekannten Bibliotheken eingesetzt. Anhand der festgestellten Kantenlage innerhalb der getätigten Aufnahme werden dann im Schritt 8 unter der Annahme einer idealen Kalibrierstruktur 1 mit einem idealen Linienmuster gemäß 5 Korrekturwerte berechnet. Diese Korrekturwerte bzw. Kalibrierwerte werden dann in einem Schritt 9 in einer Korrektur- bzw. Kalibrierdatei gespeichert bzw. in einem Speicher 32 des optischen Messgeräts 10 abgelegt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kalibrierverfahrens 5 zum Kalibrieren von optischen Messgeräten 10 werden die Schritte: Beleuchten einer Kalibrierstruktur 1; Tätigen einer Aufnahme 6; Auswerten der getätigten Aufnahme 7 und Berechnung von Korrekturwerten 8 bei zwei verschiedenen Beleuchtungssituationen und/oder zwei verschiedenen Beleuchtungswellenlängen durchgeführt und die Berechnung von Korrekturwerten 8 erfolgt anhand einer Differenzbetrachtung der beiden hierbei getätigten Aufnahmen der Kalibrierstruktur 1.
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Erfindungsgemäß werden hierbei durch das Umschalten zwischen zwei verschiedenen Beleuchtungssituationen und/oder zwei verschiedenen Beleuchtungswellenlängen die Verhältnisse der optischen Eigenschaften der aneinander angrenzenden Zonen der Kalibrierstruktur 1 verändert bzw. im optimalen Fall umgekehrt, so dass zum Beispiel eine in der Abbildung der Kalibrierstruktur 1 helle Zone in eine dunkle Zonen verwandelt wird und umgekehrt. Hierdurch ist es möglich, zum Beispiel einen hell-dunkel-Übergang einer Kante ohne eine Positionsveränderung der Kalibrierstruktur in einen dunkel-hell-Übergang der zweiten Aufnahme zu verwandeln. Durch die softwaretechnische Auswertung beider Übergänge ein und derselben Kante in den beiden Aufnahmen können dann Kalibrierfehler eliminiert werden, die rein auf einer softwaretechnisch unzureichenden Erfassung eines Übergangs basieren, da zum Beispiel die Software bei einem Übergang die Kante systematisch zu weit in den hellen Bereich hinein verlegt oder umgekehrt.
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Das beschriebene Umschalten von Hell auf Dunkel lässt sich mittels der Kalibrierstruktur 1 am einfachsten erreichen, wenn eine der beiden Beleuchtungssituationen durch eine Auflichtbeleuchtung und die andere der beiden Beleuchtungssituationen durch eine Durchlichtbeleuchtung gegeben ist. Es versteht sich allerdings, dass das erfindungsgemäße Umschalten des Kalibrierverfahrens 5 nicht auf dieses erläuterte Umschalten von Hell auf Dunkel beschränkt ist, sondern auch andere optische Eigenschaften der Kalibrierstruktur 1 einschließt. Zum Beispiel kann bei einer der beiden Beleuchtungssituationen ein bestimmter Polarisationsgrad des Beleuchtungslichts eingestellt werden, der sich von dem Polarisationsgrad des Beleuchtungslichts bei der anderen der beiden Beleuchtungssituationen unterscheidet. Ebenso kann eine der zwei verschiedenen Beleuchtungswellenlänge zur Aufnahme der Kalibrierstruktur weniger als 500 nm betragen, wobei die andere der zwei verschiedenen Beleuchtungswellenlängen zur Aufnahme der Kalibrierstruktur dann zum Beispiel mehr als 600 nm beträgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19805040 A1 [0002]
- US 2010/0225666 A1 [0003]
- US 6538691 B1 [0004]
