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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstands eines optischen Sensors eines Koordinatenmessgeräts auf ein zu vermessendes Werkstück, wobei der optische Sensor und / oder das Werkstück in einer Z-Richtung bewegbar sind, so dass ein Abstand in der Z-Richtung zwischen dem Werkstück und dem optischen Sensor veränderbar ist.
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Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Koordinatenmessgerät mit einem optischen Sensor und einer Regelungseinrichtung zur Fokussierung des optischen Sensors.
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Koordinatenmessgeräte sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Sie dienen dazu, beispielsweise im Rahmen einer Qualitätssicherung Werkstücke zu überprüfen oder die Geometrie eines Werkstücks vollständig im Rahmen eines so genannten „Reverse Engineering“ zu ermitteln. Darüber hinaus sind vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar.
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In derartigen Koordinatenmessgeräten können verschiedene Arten von Sensoren zur Anwendung kommen, um die Koordinaten eines zu vermessenden Werkstücks zu erfassen. Beispielsweise sind hierzu taktil messende Sensoren bekannt, wie sie beispielsweise von der Anmelderin unter der Produktbezeichnung „VAST XT“ oder „VAST XXT“ vertrieben werden. Hierbei wird die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks mit einem Taststift angetastet, dessen Koordinaten im Messraum ständig bekannt sind. Ein derartiger Taststift kann auch entlang der Oberfläche eines Werkstücks bewegt werden, so dass in einem solchen Messvorgang im Rahmen eines so genannten „Scanning-Verfahrens“ eine Vielzahl von Messpunkten in festgelegten zeitlichen Abständen erfasst werden kann.
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Darüber hinaus ist es bekannt, optische Sensoren einzusetzen, die ein berührungsloses Erfassen der Koordinaten eines Werkstücks ermöglichen. Ein Beispiel für einen derartigen optischen Sensor ist der unter der Produktbezeichnung „ViScan“ von der Anmelderin vertriebene optische Sensor.
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Die Sensoren können dann in verschiedenen Arten von Messaufbauten verwendet werden. Ein Beispiel für einen solchen Messaufbau ist das Produkt „O-INSPECT“ der Anmelderin. Bei einem derartigen Gerät finden sowohl ein optischer Sensor als auch ein taktiler Sensor Anwendung, um verschiedene Prüfaufgaben an einer Maschine und idealerweise mit einer einzigen Aufspannung eines zu vermessenden Werkstücks durchzuführen. Auf diese Weise lassen sich einfach sämtliche Prüfaufgaben beispielsweise in der Medizintechnik, der Kunststofftechnik, der Elektronik und der Feinmechanik durchführen. Selbstverständlich sind darüber hinaus auch verschiedene andere Aufbauten denkbar.
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In einem Gerät, wie beispielsweise dem „O-INSPECT“, wird das vermessene Werkstück auf einem Tisch aufgespannt. Der Tisch bildet dabei eine X-Y-Ebene. Senkrecht von dieser Ebene, das heißt in Z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems, ist der optische Sensor von dem zu vermessenden Werkstück beabstandet. Abhängig von dem zu vermessenden Werkstück und der relativen Position des optischen Sensors und des Tischs zueinander ist der optische Sensor auf das zu vermessende Werkstück zu fokussieren. In der Regel gilt dabei für alle X-Y-Positionen des Tischs eine Fokussierung in Z-Richtung.
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Die Fokussierung wird dabei automatisch von dem Koordinatenmessgerät durchgeführt. Dies erfolgt bekannter Weise derart, dass ein Anwender den optischen Sensor zunächst manuell auf eine Position bzw. einen Abstand zu dem zu vermessenden Werkstück bewegt, in dem er etwa eine maximale Schärfe bzw. Fokussierung auf das Werkstück erwartet. Er gibt dann einen Suchbereich in Form einer Längenangabe bzw. einer Entfernung in Z-Richtung vor, in der nach der maximalen Schärfe bzw. besten Fokussierung gesucht werden soll.
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Die Kamera wird dann um die Hälfte des vorgegebenen Suchbereichs weiter von dem zu vermessenden Werkstück entfernt und bewegt sich dann mit sehr langsamer Geschwindigkeit bis zum Ende des Suchbereichs auf das Werkstück zu. Während dieser Kamerafahrt werden mittels des optischen Sensors in bestimmten Zeitintervallen Bilder dieses Werkstücks erfasst und von dem Koordinatenmessgerät von dem optischen Sensor abgefragt. Im Rahmen einer Auswertung wird dann als ein Kontrastkriterium ein sogenannter Kontrastwert eines bestimmten Bereichs des abgefragten Bildes ermittelt und die Position bzw. der Abstand zu dem zu vermessenden Werkstück, in dem die Bildanforderung abgeschickt wurde, zusammen mit dem Kontrastwert gespeichert. Mit der so ermittelten Vielzahl von Kontrastwerten und den jeweils zugehörigen Abständen zu dem zu vermessenden Werkstück lässt sich eine so genannte Kontrastwertkurve auftragen. Das Koordinatenmessgerät ist dann dazu in der Lage, einen Extremwert dieser Kurve zu bestimmen. Der zu dem Extremwert dazugehörige Abstand stellt dann denjenigen Abstand dar, in dem die maximale Schärfe bzw. die beste Fokussierung des optischen Sensors vorliegt, und der optische Sensor wird in diesem Abstand zu dem zu vermessenden Werkstück für die weiteren Messaufgaben eingestellt.
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Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren bekannt, die einen Kontrastwert bestimmen können, siehe
DE 60 2004 003 882 T2 . Beispielsweise kann für die Auswertung ein Bereich der Bilder ausgewählt werden, in dem eine Kante eines zu vermessenden Werkstücks liegt. In diesem Bereich befindet sich dann ein sehr abrupter Farbübergang bzw. Hell-Dunkel-Übergang. Ein Kontrastwert kann dann beispielsweise der maximale Gradient der Graustufenwerte des Bildes senkrecht zu der Kante sein. Je schärfer ein Bild eingestellt ist, desto höher wird der Gradient sein, da idealerweise ein abrupter Übergang von Hell zu Dunkel von einem Pixel auf den nächsten erfolgt. Je unschärfer das Bild eingestellt ist, desto kontinuierlicher ist der Hell-Dunkel-Übergang und desto geringer ist der Gradient. Selbstverständlich sind darüber hinaus auch viele weitere Möglichkeiten zur Bestimmung eines Kontrastwerts denkbar und bekannt, so zum Beispiel die Bestimmung eines „Focus Metric Value“ gemäß der Offenlegung
US 2015 / 0 015 696 A1 . Darüber hinaus ist aus
X. Zhang et al.: Fast and accurate auto-focusing algorithm based on the combination of depth from focus and improved depth from defocus, Optics Express, Vol. 22, No 25, 2014, S. 31237-31247 ein mehrschrittiges Annäherungsverfahren an den besten Fokus bekannt. Ferner ist aus
M. Subbarao et al.: Focusing techniques, Optical Engineering, Vol 32, No. 11, 1993, S. 2824-2836 die Verwendung der Gesamtintensität eines Bildes als Fokusmaß bekannt.
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Die Druckschrift
US 2014 / 0 043 470 A1 zeigt ein Koordinatenmessgerät mit einer Werkstückaufnahme zur Aufnahme eines Messobjekts und einen Messkopf, der relativ zu der Werkstückaufnahme verfahrbar ist. Der Messkopf trägt einen optischen Sensor. Eine Auswerte- und Steuereinheit ist dazu ausgebildet, Raumkoordinaten an dem Messobjekt in Abhängigkeit von einer Position des Messkopfes relativ zu der Werkstückaufnahme und in Abhängigkeit von Sensordaten des optischen Sensors zu bestimmen. Der optische Sensor beinhaltet ein Objektiv und eine Kamera. Das Objektiv besitzt eine Blende und mindestens vier separate Linsengruppen, von denen drei entlang der optischen Achse des Objektivs individuell verschiebbar sind. Des Weiteren ist auch die Blende entlang der optischen Achse individuell verschiebbar. Eine erste Linsengruppe ist im Bereich der Lichteintrittsöffnung des Objektivs feststehend angeordnet. Ein Koordinatenmessgerät mit einem solchen Objektiv ermöglicht die Variation von Vergrößerung, Fokussierung, Auflösung u.a. über einen großen Anwendungsbereich hinweg.
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Derartige Sensoren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie in vielen verschiedenen Arbeitsabständen zwischen optischem Sensor und Werkstück arbeiten können. Darüber hinaus sind sie dazu in der Lage, mit verschiedenen, beliebig gewählten Vergrößerungen zu arbeiten. Dies ermöglicht unter anderem auch, Werkstücke mit relativ großen Höhenunterschieden problemlos zu vermessen. Gleichzeitig ergibt sich daraus, dass der Raumbereich, in dem sich eine Ebene einer besten Fokussierung befinden kann, grundsätzlich relativ groß wird. Es ist für einen Nutzer vorab schwerer abzuschätzen, wo in etwa sich die Ebene einer besten Fokussierung befinden wird. Dies macht es notwendig, einen anfänglichen „Fangbereich“ relativ groß einzustellen, um sicherzugehen, die Ebene der besten Fokussierung innerhalb dieses Fangbereichs vorzufinden. Der Fangbereich meint dabei den Bereich, über den eine Suche nach der Ebene der besten Fokussierung begonnen wird.
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Mit einem relativ großen Fangbereich gehen jedoch bislang zwei Nachteile einher. Zum einen dauert es relativ lange, bis eine Ebene der besten Fokussierung mittels Kontrastkriterien gefunden ist, da eine relativ große Wegstrecke durchfahren werden muss. Zum anderen nimmt die Reproduzierbarkeit des Ergebnisses für die Ebene der besten Fokussierung ab. Dem könnte entgegengewirkt werden, indem die Anzahl der Aufnahmen innerhalb des Fangbereichs erhöht und/oder die Geschwindigkeit, mit der der Fangbereich durchfahren wird, reduziert wird. Dies führt jedoch dazu, dass die für die Autofokussierung benötigte Zeitdauer noch weiter erhöht wird. Somit kann man entweder nur eine sehr langsame Autofokussierung erreichen, oder man muss eine maximale Größe des Fangbereichs beschränken, was jedoch unerwünscht ist und die Gefahr beinhaltet, dass die Ebene der besten Fokussierung außerhalb des tatsächlichen Fangbereichs liegt.
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Insbesondere bei Objektiven mit großer numerischer Apertur und dementsprechend mit großem Öffnungswinkel ist die Schärfentiefe des Objektivs reduziert, wodurch ein sinnvoller anfänglicher Fangbereich eingeschränkt wird, da außerhalb des Schärfentiefenbereichs die Auswertemöglichkeit von Aufnahmen abnimmt.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstands eines optischen Sensors eines Koordinatenmessgeräts, ein entsprechendes Koordinatenmessgerät, ein Computerprogramm sowie ein computerlesbares Medium bereitzustellen, mit Hilfe dessen bzw. derer die Ermittlung des fokussierten Bildabstands möglichst schnell bei geringstmöglichem rechentechnischen Aufwand und einer für messtechnische Zwecke erforderlichen Genauigkeit erfolgt.
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Diese Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung gelöst durch Verfahren zum Ermitteln eines besten Fokusabstands eines mit einem Objektiv versehenen optischen Sensors eines Koordinatenmessgeräts in Bezug auf die Oberfläche eines zu vermessendes Werkstück, wobei der optische Sensor und / oder das Werkstück in einer Z-Richtung bewegbar sind, so dass ein Abstand in der Z-Richtung zwischen dem Werkstück und dem optischen Sensor veränderbar ist, wobei das Verfahren einen Bestimmungs- und Zuordnungsschritt, bei dem ein Kontrastkriterium von mit dem optischen Sensor aufgenommenen Bildern der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks bei jeweils unterschiedlich eingestellten Abständen zwischen dem Werkstück und dem Sensor ermittelt wird und bei dem den jeweils eingestellten Abständen der hierzu ermittelte Wert des Kontrastkriteriums datentechnisch zugeordnet und somit ein Zahlenpaar erzeugt wird, umfasst. Dabei wird dieser Bestimmungs- und Zuordnungsschritt des Verfahrens immer in ein und derselben Änderungsrichtung des Abstandes entweder zum Werkstück hin oder vom Werkstück weg durchgeführt, wobei sich aus der größtmöglichen Differenz der hierbei in ein und derselben Änderungsrichtung eingestellten Abstände ein sogenanntes Abstandsintervall ergibt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist hierbei dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Bestimmungs- und Zuordnungsschritt bei einer Bewegung des optischen Sensors zu dem zu vermessenden Werkstück hin oder bei einer Bewegung des optischen Sensors von dem zu vermessenden Werkstück weg der optische Sensor mit einer Taktfrequenz F des optischen Sensors Bildaufnahmen der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks tätigt und dass während der Tätigung der Bildaufnahmen mit der Taktfrequenz F jeweils ein Wert für ein Kontrastkriterium und jeweils ein Kennwert für den Abstand des optischen Sensors zu dem zu vermessenden Werkstück für jede der Bildaufnahmen ermittelt und zu einem Zahlenpaar für die weitere datentechnische Bearbeitung zusammengefügt werden.
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Das relative Bewegen zwischen dem optischen Sensor und dem zu vermessenden Werkstück bzw. das Verändern des Abstands kann dadurch erfolgen, indem der optische Sensor festgehalten wird und ein Tisch, auf dem das Werkstück angeordnet ist, in Z-Richtung bewegt wird. Die Z-Richtung steht dabei senkrecht auf dem Tisch bzw. dem Werkstück. Eine Entfernung zwischen dem optischen Sensor und dem Werkstück in Z-Richtung gibt somit den Abstand zwischen dem optischen Sensor und dem Werkstück wieder.
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Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Tisch bzw. das Werkstück fest steht und der optische Sensor bewegt wird. Letztlich kann selbstverständlich auch vorgesehen sein, dass sowohl der optische Sensor als auch das Werkstück bewegt werden. Es kommt lediglich darauf an, den Abstand, das heißt die Entfernung zwischen dem optischen Sensor und dem Werkstück in Z-Richtung zu variieren.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass für die Realisierung eines schnellen Autofokus von dem bisherigen Ansatz einer gezielten Anfahrt vorbestimmter Abstände zu dem zu vermessenden Werkstück mit zugehöriger Bildaufnahme grundsätzlich dahingehend abgewichen werden kann, dass der optische Sensor bzw. die Kamera mit ihrer eigenen Taktfrequenz die zu tätigende Bildabfolge vorgibt und lediglich hierzu das abzusuchende Abstandsintervall mit der hierzu gewünschten Bildanzahl durch eine entsprechende Anpassung der Relativgeschwindigkeit zwischen dem optischen Sensor und dem zu vermessenden Werkstück ausgewählt wird. Somit muss durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht mehr eine Bildaufnahme passend zu jeweilig gewählten Abstand veranlasst werden, sondern lediglich für eine on-the-fly erfolgende Bildsequenz des optischen Sensors die passende Relativgeschwindigkeit ausgewählt werden. Hierdurch wird nicht nur eine höhere Geschwindigkeit des neuen Autofokusverfahrens realisiert, es wird darüber hinaus das Steuerungs- und Regelungsverfahren wesentlich vereinfacht, da der optische Sensor bzw. die Kamera lediglich noch ein Startsignal für die vorgesehene Bildsequenz benötigt und nicht mehr jede einzelne Bildaufnahme entlang des Abstandsintervalls durch die Steuerung veranlasst werden muss.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln eines besten Fokusabstands eines mit einem Objektiv versehenen optischen Sensors eines Koordinatenmessgeräts umfasst dabei auch wenigstens einen der folgenden weiteren Schritte:
- Einen Aufbereitungsschritt, bei dem von allen bisher ermittelten Werten des Kontrastkriteriums aller bisher eingestellter Abstände derjenige Wert, der den besten Kontrast repräsentiert, dem sogenannten aktuellen Bestwert, ein bestimmter Zahlenwert X zugeordnet wird und bei dem alle übrigen Werte entsprechend ihrem Zahlenverhältnis zum aktuellen Bestwert Bruchteile des Zahlenwerts X als Zahlenwerte zugeordnet werden;
- Einen Analyseschritt, bei dem zunächst ein unterer Minimalwert M < X vorgegeben wird und bei dem dann betrachtet wird, ob wenigstens einer der zugeordneten Zahlenwerte aller bisher eingestellter Abstände kleiner als M ist, sollte dies nicht der Fall sein, so wird ein neues Abstandsintervall definiert, welches größer ist als das zuvor eingestellte Abstandsintervall;
- Einen Annäherungsschritt, bei dem zunächst ein unterer Schwellwert Y mit M < Y < X vorgegeben und ein neues Abstandsintervall um den aktuellen Bestwert mit dem Zahlenwert X herum definiert wird, wobei bei der Festlegung des neuen Abstandsintervalls wenigstens ein Abstand beachtet wird, dessen zugeordneter Zahlenwert betragsmäßig über dem unteren Schwellwert Y liegt;
- Einen Überprüfungsschritt, bei dem betrachtet wird, ob wenigstens ein zugeordneter Zahlenwert aller bisher eingestellten Abstände, der einer linken Flanke einer Fokuskurve zugeordnet werden kann und ob wenigstens ein weiterer zugeordneter Zahlenwert aller bisher eingestellten Abstände, der einer rechten Flanke einer Fokuskurve zugeordnet werden kann, betragsmäßig über dem unteren Schwellwert Y liegen, ist dies der Fall, so wird aus wenigstens diesen beiden zugeordneten Zahlenwerten ein letztes Abstandsintervall definiert; und
- Einen Anpassungsschritt, bei dem eine Funktion an die Zahlenpaare des zuletzt gewählten Abstandsintervalls angepasst und daraus der beste Fokusabstand ermittelt wird.
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Durch den Aufbereitungsschritt erfolgt eine Normierung aller bisher ermittelten Kontrastwerte in Bezug auf den aktuell besten Kontrastwert X. Diese Normierung ist die Voraussetzung für die weiteren Schritte. Zum Beispiel wird anhand des Analyseschrittes mit dem Minimalwert M < X festgestellt, ob die anhand des gewählten Kontrastkriteriums ermittelten Kontrastwerte sich einer Kontrastwertkurve zuordnen lassen, oder ob diese Kontrastwerte lediglich Messrauschen darstellen. Wenn die Kontrastwerte lediglich Messrauschen darstellen, so werden die zugeordneten Zahlenwerte zum Beispiel den Wert 0,75 nicht unterschreiten. Sollte dies für alle Kontrastwerte bzw. zugeordneten Zahlenwerte des ersten Abstandsintervalls der Fall sein, so muss ein neues und größeres Abstandsintervall gewählt werden. Ein solches größeres Abstandsintervall kann dabei auch dadurch gewählt werden, dass in der ursprünglich eingestellten Änderungsrichtung des ersten Abstandsintervalls weitere Kontrastwerte für weitere Abstände über das ursprünglich geplante erste Abstandsintervall hinaus ermittelt werden. Wenn allerdings wenigstens einer der zugeordneten Zahlenwerte kleiner als zum Beispiel M=0,75 ist, dann kann davon ausgegangen werden, dass es sich hierbei nicht um Messrauschen handelt und dass sich die Zahlenwerte einer Kontrastwertkurve zuordnen lassen. Insofern lässt sich anhand des Aufbereitungsschrittes feststellen, ob sinnvolle Daten für eine weitere Auswertung vorliegen.
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Durch den Annäherungsschritt wird zunächst ein unterer Schwellwert Y mit M < Y < X vorgegeben und ein neues Abstandsintervall um den aktuellen Bestwert mit dem Zahlenwert X herum definiert, wobei bei der Festlegung des neuen Abstandsintervalls wenigstens ein Abstand beachtet wird, dessen zugeordneter Zahlenwert betragsmäßig über dem unteren Schwellwert Y liegt. Unter „beachten“ wird hierbei jedweder mathematischer Zusammenhang verstanden, mit dem wenigsten ein Abstand mit einem zugeordneten Zahlenwert oberhalb des Schwellenwerts in die Festlegung des Startwertes, des Endwertes oder die Größe des neuen Abstandsintervalls einfließt. Hierbei handelt es sich um einen Schritt, der es erlaubt, anhand von Abständen für zugeordneten Zahlenwerte oberhalb des Schwellwerts Y ein neues Abstandsintervall für die weitere Suche festzulegen.
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Durch den Überprüfungsschritt wird überprüft, ob wenigstens ein zugeordneter Zahlenwerte aller bisher eingestellten Abstände, der einer linken Flanke einer Kontrastwertkurve zugeordnet werden kann und ob wenigstens ein weiterer zugeordneter Zahlenwert aller bisher eingestellten Abstände, der einer rechten Flanke einer Kontrastwertkurve zugeordnet werden kann, betragsmäßig über dem unteren Schwellwert Y liegen. Hierdurch wird festgestellt, ob durch abgefahrene Abstände die Lage der Kontrastwertkurvenspitze bereits im Rahmen eines abzufahrenden Abstandsintervalls überfahren wurde, ist dies der Fall, so wird aus wenigstens diesen beiden zugeordneten Zahlenwerten, die größer als zum Beispiel Y=0,85 sind, ein letztes Abstandsintervall zum Abfahren der Fokuskurvenspitze definiert.
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Durch den Anpassungsschritt wird schließlich eine Funktion an die Zahlenpaare des zuletzt gewählten Abstandsintervalls angepasst und daraus der beste Fokusabstand ermittelt. Das hierbei zuletzt gewählte Abstandsintervall enthält dabei aufgrund des Überprüfungsschrittes die Kontrastwertkurvenspitze, so dass anhand der für das letzte Abstandsintervall festgestellten Zahlenpaare eine Anpassung einer mathematischen Funktion möglich ist, aus deren Parameter sich dann der beste Fokusabstand ermitteln lässt. Der Anpassungsschritt ermöglicht somit eine mathematische Evaluation des besten Fokusabstandes.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der Zuordnungs- und Bestimmungsschritt und der Aufbereitungsschritt während der Änderung des Abstandes innerhalb eines Abstandsintervalls sowie der Analyseschritt solange durchgeführt, bis unter dem Annäherungsschritt ein neues Abstandsintervall definiert werden kann, wobei anschließend innerhalb diesem neuen Abstandsintervall der Zuordnungs- und Bestimmungsschritt, der Aufbereitungsschritt und der Annäherungsschritt solange während der Änderung des Abstandes innerhalb des neuen Abstandsintervalls iterativ wiederholt und gegebenenfalls unter dem Annäherungsschritt weitere neue Abstandsintervalle definiert werden bis anhand des Überprüfungsschrittes ein letztes Abstandsintervall definiert werden kann, wobei anschließend innerhalb diesem letzten Abstandsintervall der Zuordnungs- und Bestimmungsschritt sowie der Aufbereitungsschritt während der Änderung des Abstandes innerhalb des letzten Abstandsintervalls durchgeführt werden, wodurch Zahlenpaare für dieses letzte Abstandsintervall gewonnen werden, aus denen mit Hilfe des Anpassungsschrittes ein bester Fokusabstand innerhalb des zuletzt gewählten Abstandsintervalls ermittelt werden kann. Im Rahmen dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Verfahrensschritte in einer sinnvoll-möglichen Abfolge kombiniert, um mit möglichst wenigen Schritten in möglichst kurzer Zeit zu einer besten Fokuslage zu gelangen.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei dem ersten Bestimmungs- und Zuordnungsschritt des Verfahrens ein erstes Abstandsintervall zwischen dem ersten gewählten Abstand und dem letzten gewählten Abstand des ersten Abstandsintervalls gemäß Ai = a * DOF gewählt, wobei Ai das erste Abstandsintervall, a ein Faktor und DOF eine Schärfentiefe des Objektivs ist. Hierdurch wird die Größe des ursprünglich abzusuchenden ersten Abstandsintervalls in sinnvoller Weise gewählt und mit der jeweiligen Schärfentiefe des Objektivs in Bezug gesetzt. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn Zoom-Objektive mit variierender Schärfentiefe eingesetzt werden.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung dieser Ausführungsform liegt der Faktor a in einem Bereich 0,1 < a < 20 liegt, vorzugsweise in einem Bereich 0,2 < a < 4. Diese genannten Beträge für den Faktor a führen zu einer Begrenzung des ersten abzusuchenden Abstandsintervalls und somit zu einer Laufzeitbegrenzung des Verfahrens in Abhängigkeit von der unter Umständen variierende Schärfentiefe des Objektivs.
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In einer Ausführungsform weist der optische Sensor eine betragsmäßige Relativgeschwindigkeit V zu dem zu vermessenden Werkstück bei einer Bewegung des optischen Sensors zu dem zu vermessenden Werkstück hin oder bei einer Bewegung des optischen Sensors von dem zu vermessenden Werkstück weg gemäß V=A / N * F auf, wobei A das jeweils für die Hin- oder Wegbewegung gewählte Abstandsintervall, N die gewählte Anzahl der Bildaufnahmen für das gewählte Abstandsintervall und F die Taktfrequenz des optischen Sensors ist. Hierdurch wird die Relativgeschwindigkeit beim Abfahren eines Abstandsintervalls unter Berücksichtigung der gewünschten Anzahl von Bildaufnahmen an die gegebene Taktfrequenz F des optischen Sensors angepasst.
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In einer weiteren Ausgestaltung dieser Ausführungsform des Verfahrens gilt für den Faktor N die Beziehung N > 4, bevorzugt N > 7. Hierdurch wird sichergestellt, dass mittels einer Ausreichenden Anzahl von Bildaufnahmen das jeweils abzufahrende Abstandsintervall abgedeckt wird.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt das Verhältnis von Y zu X weniger als 90 % und/oder das Verhältnis von M zu X weniger als 80 %. Hierdurch werden Schwellwerte und Minimalwerte des erfindungsgemäßen Verfahrens definiert, bei denen sichergestellt ist, dass das Verfahren zielführend konvergiert und schnellstmöglich die Bestimmung eines besten Fokusabstandes ermöglicht.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Abstände innerhalb eines jeden in einer Richtung zum Werkstück hin oder vom Werkstück weg abzufahrenden Abstandsintervalls durch eine Regelungseinrichtung so gewählt, dass das Abstandsintervall durch wenigsten fünf Bildaufnahmen bei fünf unterschiedlich gewählten Abständen abgedeckt wird, wobei die wenigstens fünf unterschiedlichen Abstände derart gewählt werden, dass die wenigstens fünf zu tätigenden Bildaufnahmen mit der Taktfrequenz F des optischen Sensors aufeinanderfolgend getätigt werden können. Die Wahl von fünf aufeinanderfolgenden Bildaufnahmen für jedes Abstandsintervall hat sich im Hinblick auf den Zeitgewinn durch das neue erfindungsgemäße Autofokusverfahren als besonders effektiv herausgestellt.
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In einer Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv ein beidseitig telezentrisches Zoom-Objektiv und/oder die Taktfrequenz F des optischen Sensors die maximal mögliche Taktfrequenz Fmax des optischen Sensors ist. Ein solches Objektiv ermöglicht nicht nur das Arbeiten mit verschiedenen Vergrößerungen, sondern auch aufgrund der beidseitigen Telezentrie ein genaues Erfassen über einen großen Bereich von Arbeitsabständen. Insbesondere ist es möglich, die bildseitige numerische Apertur konstant zu halten. Beispielsweise kann sie bei konstant 0,032 liegen. Darüber hinaus führt das Betreiben des optischen Sensors mit der maximal möglichen Taktfrequenz Fmax zu einer Minimierung des Zeitbedarfs für die Durchführung des neuen erfindungsgemäßen Autofokusverfahrens.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Schärfentiefe des Objekts gemäß
bestimmt wird, wobei DOF die Schärfentiefe des Objektivs, V die Vergrößerung des Objektivs, insbesondere eine Axialvergrößerung, NA die bildseitige numerische Apertur bei der Vergrößerung und λ eine Referenzwellenlänge ist. Die folgende Tabelle gibt ein Beispiel dafür, wie bei einem optischen Sensor, der eine konstante bildseitige numerische Apertur von 0,032 aufweist, abhängig von der Vergrößerung sich die Schärfentiefe bei einer Referenzwellenlänge von 550 nm ergibt.
| Bildseitige numerische Apertur [-] | Vergrösserung [-] | Objektseitige numerische Apertur [-] | Schärfentiefe [mm] |
| Referenzwellenlänge [mm] 0,00055 |
| 0,032 | 0,4 | 0,0128 | 3,356933594 |
| 0,032 | 0,7 | 0,0224 | 1,096141582 |
| 0,032 | 1 | 0,032 | 0,537109375 |
| 0,032 | 2 | 0,064 | 0,134277344 |
| 0,032 | 2,2 | 0,0704 | 0,110973011 |
| 0,032 | 2,65 | 0,0848 | 0,076484069 |
| 0,032 | 3,2 | 0,1024 | 0,052452087 |
| 0,032 | 4 | 0,128 | 0,033569336 |
| 0,032 | 6,25 | 0,2 | 0,01375 |
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Dabei bildet das Produkt aus der bildseitigen numerischen Apertur und der Vergrößerung die objektseitige Apertur, so dass gilt: objektseitige Apertur = bildseitige numerische Apertur × Vergrößerung. Mit einer bekannten, insbesondere konstanten, bildseitigen numerischen Apertur einer festgelegten Referenzwellenlänge, die insbesondere für 550 nm festgesetzt sein kann, kann somit lediglich abhängig von der eingestellten Vergrößerung V die Schärfentiefe bestimmt werden und aus dieser wiederum das erste Abstandsintervall. Dies ermöglicht ein einfaches und schnelles Ermitteln des ersten Abstandsintervalls. Insbesondere können die Schärfentiefe und/oder das erste Abstandsintervall so unmittelbar bei Vorgabe einer bestimmten Vergrößerung systematisch bestimmt und zur weiteren Verwendung vorgehalten werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Referenzwellenlänge in einem Bereich 400nm ≤ λ ≤ 650nm liegt, vorzugsweise 550 nm ist.
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Insbesondere sollte die Referenzwellenlänge innerhalb des Spektralbereichs der Lichtquellen des Koordinatenmessgerätes liegen. Eine Wellenlänge von 550 nm liegt grundsätzlich in etwa in der Mitte des menschlich sichtbaren Spektralbereichs, insbesondere dem Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm, und kann somit bei entsprechenden Lichtquellen bevorzugt sein. Werden aber beispielsweise monochromatische Lichtquellen verwendet, insbesondere Laserlichtquellen, so kann vorgesehen sein, die entsprechende Wellenlänge der Lichtquellen als Referenzwellenlänge zu verwenden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen, das eingangs genannte Koordinatenmessgerät dahingehend weiterzubilden, dass die Regelungseinrichtung zur Ausführung eines Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung eingerichtet ist. Insbesondere wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung gelöst durch ein Koordinatenmessgerät mit einem optischen Sensor, einem Objektiv und einer Regelungseinrichtung zur Fokussierung des optischen Sensors, wobei der optische Sensor durch die Regelungseinrichtung derart gesteuert wird, dass bei einer Bewegung des optischen Sensors zu dem zu vermessenden Werkstück hin oder bei einer Bewegung des optischen Sensors von dem zu vermessenden Werkstück weg der optische Sensor mit einer Taktfrequenz F des optischen Sensors Bildaufnahmen der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks tätigt und dass während der Tätigung der Bildaufnahmen mit der Taktfrequenz F jeweils ein Wert für ein Kontrastkriterium und jeweils ein Kennwert für den Abstand des optischen Sensors zu dem zu vermessenden Werkstück für jede der Bildaufnahmen ermittelt und zu einem Zahlenpaar für die weitere datentechnische Bearbeitung zusammengefügt werden, wobei bei dem Koordinatenmessgerät ein Verfahren zum Ermitteln eines besten Fokusabstands angewendet wird, welches wenigstens einen der folgenden weiteren Schritte umfasst:
- Einen Aufbereitungsschritt, bei dem von allen bisher ermittelten Werten des Kontrastkriteriums aller bisher eingestellter Abstände derjenige Wert, der den besten Kontrast repräsentiert, dem sogenannten aktuellen Bestwert, ein bestimmter Zahlenwert X zugeordnet wird und bei dem alle übrigen Werte entsprechend ihrem Zahlenverhältnis zum aktuellen Bestwert Bruchteile des Zahlenwerts X als Zahlenwerte zugeordnet werden;
- Einen Analyseschritt, bei dem zunächst ein unterer Minimalwert M < X vorgegeben wird und bei dem dann betrachtet wird, ob wenigstens einer der zugeordneten Zahlenwerte aller bisher eingestellter Abstände kleiner als M ist, sollte dies nicht der Fall sein, so wird ein neues Abstandsintervall definiert, welches größer ist als das zuvor eingestellte Abstandsintervall;
- Einen Annäherungsschritt, bei dem zunächst ein unterer Schwellwert Y mit M < Y < X vorgegeben und ein neues Abstandsintervall um den aktuellen Bestwert mit dem Zahlenwert X herum definiert wird, wobei bei der Festlegung des neuen Abstandsintervalls wenigstens ein Abstand beachtet wird, dessen zugeordneter Zahlenwert betragsmäßig über dem unteren Schwellwert Y liegt;
- Einen Überprüfungsschritt, bei dem betrachtet wird, ob wenigstens ein zugeordneter Zahlenwert aller bisher eingestellten Abstände, der einer linken Flanke einer Fokuskurve zugeordnet werden kann und ob wenigstens ein weiterer zugeordneter Zahlenwert aller bisher eingestellten Abstände, der einer rechten Flanke einer Fokuskurve zugeordnet werden kann, betragsmäßig über dem unteren Schwellwert Y liegen, ist dies der Fall, so wird aus wenigstens diesen beiden zugeordneten Zahlenwerten ein letztes Abstandsintervall definiert; und
- Einen Anpassungsschritt, bei dem eine Funktion an die Zahlenpaare des zuletzt gewählten Abstandsintervalls angepasst und daraus der beste Fokusabstand ermittelt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Koordinatenmessgerät dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv ein beidseitig telezentrisches Zoom-Objektiv und die Taktfrequenz F des optischen Sensors die maximal mögliche Taktfrequenz Fmax des optischen Sensors ist.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird darüber hinaus die Aufgabe der vorliegenden Erfindung auch gelöst durch ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass das erfindungsgemäße Koordinatenmessgerät nach einem der vorgenannten Ausführungsformen die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einer der vorgenannten Ausführungsformen ausführt.
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In einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Computerprogramm eine graphische Benutzerschnittstelle (GUI), die während der Ausführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einer der vorgenannten Ausführungsformen auf einem erfindungsgemäßen Koordinatenmessgerät nach einer der vorgenannten Ausführungsformen alle bisher ermittelten Werten des Kontrastkriteriums aller bisher eingestellten Abstände und/oder alle zugeordneten Zahlenwerte aller bisher eingestellten Abstände auf einem Ausgabemedium gegenüber dem Nutzer darstellt.
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Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe der Erfindung auch gelöst durch ein erfindungsgemäßes computerlesbares Medium, auf dem ein Computerprogramm gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung gespeichert ist.
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Das Koordinatenmessgerät gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, das Computerprogramm gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung und das computerlesbare Medium gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung weisen dieselben Vorteile wie das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf.
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Die eingangs gestellte Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
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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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Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Koordinatenmessgeräts,
- 2a eine beispielhafte Ansicht eines Bildes,
- 2b die Fokussierungsverhältnisse bei der Aufnahme des Bildes in 2a,
- 3a eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Bestimmungs- und Zuordnungsschrittes 102,
- 3b eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Annäherungsschrittes 108,
- 4a bis 4e eine Darstellung der verschiedenen Schritte des Verfahrens 100 anhand von realen Messwerten, und
- 5 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte 102 bis 110.
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1 zeigt ein Koordinatenmessgerät 10. Das Koordinatenmessgerät 10 dient zum Vermessen eines Werkstücks 12. Hierzu weist das Koordinatenmessgerät 10 einen optischen Sensor 14 auf. In Ergänzung zu dem optischen Sensor 14 können selbstverständlich noch weitere Sensoren vorgesehen sein, beispielsweise taktile Sensoren, die jedoch in der vorliegenden schematischen Ansicht nicht dargestellt sind.
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Das zu vermessende Werkstück 12 ist beispielsweise auf einem Tisch oder einer Grundplatte 16 angeordnet. In der dargestellten Ansicht ist der Tisch oder die Grundplatte in einer X-Y-Ebene eines Koordinatensystems 18 ausgerichtet. Senkrecht zu dem Tisch 16 erstreckt sich eine Z-Richtung 20. Ein Abstand zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 in der Z-Richtung 20 ist mit einem Bezugszeichen 22 gekennzeichnet. Der optische Sensor 14 und der Tisch 16 bzw. das Werkstück 12 sind relativ zueinander bewegbar. Auf diese Weise kann der Abstand 22 verändert werden. Grundsätzlich kann hierzu vorgesehen sein, dass entweder der Tisch 16 zumindest in einer Z-Richtung bewegbar ist, oder dass der optische Sensor 14, beispielsweise mittels einer geeigneten Mechanik 24, in der Z-Richtung bewegbar ist. Bei der Mechanik 24 kann es sich beispielsweise auch um einen Portalaufbau oder ähnliches handeln. Das Koordinatenmessgerät muss nicht zwingend einen Tischaufbau aufweisen. Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass sowohl der optische Sensor 14 als auch der Tisch 16 in der Z-Richtung bewegbar sind.
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Der Einfachheit halber wird in den folgenden Ausführungen angenommen, dass der Tisch 16 bzw. das Werkstück 12 fest verbleibt und der optische Sensor 14 in der Z-Richtung bewegt wird, um den Abstand 22 zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 zu verändern. Dies muss jedoch nicht zwingend so sein.
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Um den Abstand 22 derart zu verändern, dass der optische Sensor 14 auf das Werkstück 12 fokussiert ist, weist das Koordinatenmessgerät 10 eine Regelungseinrichtung 26 auf. Die Regelungseinrichtung 26 ist dazu in der Lage, den optischen Sensor 14 in einem Abstand 22 relativ zu dem Werkstück 12 derart zu bewegen, dass die mittels des optischen Sensors 14 aufgenommenen Bilder eine maximale Schärfe aufweisen. Hierzu kann eine Autofokussierungsfunktion des Koordinatenmessgeräts 10 ausgelöst werden. Des Weiteren weist das Koordinatenmessgerät 10 eine Datenverarbeitungseinrichtung 28 auf, die derart eingerichtet ist, dass sie eine Anforderung von Bildern des optischen Sensors 14 und ihre Auswertung durchführt und basierend auf diesen Ergebnissen eine Position des optischen Sensors 14 ausgibt, bei der eine Fokussierung des optischen Sensors 14 auf das Werkstück 12 eingerichtet ist. Diese wird dann durch die Regelungseinrichtung 26 eingestellt. Selbstverständlich kann es sich bei der Regelungseinrichtung 26 und der Datenverarbeitungseinrichtung 28 auch um eine einzige Einheit bzw. ein einziges Element handeln, die Datenverarbeitungseinrichtung 28 und die Regelungseinrichtung 26 sind lediglich zu Erläuterungszwecken als getrennte Einheiten dargestellt.
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Darüber hinaus kann das Koordinatenmessgerät 10 ein Eingabegerät 30 aufweisen. Mit diesem kann ein Nutzer beispielsweise gewünschte Suchbereiche in das Koordinatenmessgerät 10 eingeben oder aber den optischen Sensor 14 manuell bewegen und so auch manuell einen Abstand 22 zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 einstellen.
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Zu Beginn eines Verfahrens kann vorgesehen sein, dass ein Nutzer den optischen Sensor 14 etwa in die Nähe eines erwarteten Fokus-Abstands 32 einstellt. Ausgehend von diesem erwarteten fokussierten Abstand werden ein erster Abstand 34 und ein zweiter Abstand 36 festgelegt, die zwischen sich ein Abstandsintervall 38 definieren. In dem vorliegenden Beispiel weist der erste Abstand 34 einen größeren Abstand 22 von dem Werkstück 12 als der zweite Abstand 36 auf. Selbstverständlich kann dieses auch umgekehrt gewählt sein. Alternativ kann des Weiteren vorgesehen sein, dass, falls keine Nutzereingabe zu Beginn erfolgen soll, der erste Abstand 34 in einem maximal möglichen Abstand 22 zwischen optischem Sensor 14 und Werkstück 12 festgelegt wird und der zweite Abstand 36 in einem minimal möglichen Abstand 22 zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 festgelegt wird.
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2a zeigt ein Beispiel für ein während eines Fokussierungsvorgangs durch den optischen Sensor 14 aufgenommenes Bild.
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In der 2b sind die Aufnahmeverhältnisse während des Aufnehmens des in 2a dargestellten Bildes aufgezeigt.
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In der dargestellten Ausführungsform kann beispielsweise vorgesehen sein, dass als ein Kontrastkriterium ein Hell-Dunkel-Übergang über eine Kante 40 herangezogen wird, die in dem Bild des Werkstücks 12 bei einem gewählten Abstand 22 sichtbar ist. Entsprechend wird eine so genannte „Area Of Interest (AOI)“ 42 in dem Bild festgelegt, die die Kante 40 aufweist und im Folgenden ausgewertet wird. In dem dargestellten Beispiel verläuft die Kante 40 horizontal durch das Bild. Entsprechend kann beispielsweise ein Graustufengradient in vertikaler Richtung, das heißt senkrecht zu der Kante 40, innerhalb der AOI 42 zur Bildung des Kontrastkriteriums herangezogen werden. Der optische Sensor 14 ist während der Aufnahme in einem bestimmten Abstand 22 zu dem Werkstück 12 eingestellt. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass eine dem optischen Sensor 14 zugewandte Oberfläche des Werkstücks 12 untersucht werden soll. Der optische Sensor 14 weist ein Objektiv 44 auf, das für eine optimale Fokussierung derart eingerichtet und angeordnet sein muss, dass eine Spitze 46 eines Fokuskegels auf der zu betrachtenden Oberfläche des Werkstücks 12 angeordnet wird. Im vorliegenden Beispiel liegt der Fokuskegel leicht innerhalb des Werkstücks 12, das heißt der Abstand 22 ist etwas zu klein. Eine Schärfentiefe ist ausgehend von der Spitze 46 des Fokuskegels mit 47 bezeichnet. Entsprechend ist das in der 2a dargestellte Bild unscharf, das heißt ein Hell-Dunkel-Übergang über die Kante 40 weist einen relativ flachen Gradienten oder im Extremfall gar keinen Gradienten auf. Im Falle einer maximalen Schärfe würde sich der Fokuskegel 46 auf dem Werkstück 12 befinden. Der Hell-Dunkel-Übergang würde dann innerhalb der AOI 42 abrupt erfolgen, wodurch der Gradient entsprechend hoch ausfallen würde. Die Auswertung der Lage des besten Fokus ist somit anhand von Kontrastkriterien wie zum Beispiel dem Graustufengradienten möglich.
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In der 3a ist nun schematisch ein exemplarischer Kurvenverlauf 54 eines Kontrastkriteriums mit einem besten Fokus 56 in der Fokusebene 58 gegenüber dem zuerst gewählten Abstandsintervall 59 des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 dargestellt. Dabei ist der Kurvenverlauf 54 des Kontrastkriteriums so aufgetragen, dass hohe Kontrastwerte weiter rechts in der 3a liegen als niedrige Kontrastwerte. Für einen Kontrastwert 52 ist mit Hilfe einer gestrichelten Linie die exemplarische Zuordnung zu dem zugehörigen Abstand 22 des gewählten Abstandsintervalls 59 in der 3a eingezeichnet. Das zuerst gewählte Abstandsintervall 59 ergibt sich aus dem ersten gewählten Abstandes 34 und dem zweiten gewählten Abstandes 36, wobei diese Abstände jeweils eine Entfernung 59' zu dem Startabstand 32 aufweisen. Dieser Startabstand 32 des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 wurde entweder von einem Nutzer gewählt oder seitens der Bedienungssoftware als Startwert des Verfahrens vorgeschlagen. Ausgehend von dem zunächst gewählten oder vorgeschlagenen Abstand 32 werden der erste Fokusabstand 34 und der zweite Fokusabstand 36 derart bestimmt, dass sie sich entgegengesetzt zueinander ausgehend von dem gewählten Abstand 32 jeweils in der Entfernung 59' erstrecken. In dem dargestellten Beispiel ist der erste Abstand 34 weiter von dem Werkstück entfernt als der zweite Abstand 36. Dies kann aber selbstverständlich auch umgekehrt gewählt sein.
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Der Abstand 22 des Sensors 14 wird nun im Rahmen des Bestimmungs- und Zuordnungsschrittes 102 des Verfahrens 100 auf den ersten Abstand 34 seitens der Regelungseinrichtung 26 eingestellt.
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Anschließend steuert die Regelungseinrichtung 26 die Relativgeschwindigkeit V des Sensors 14 beim Abfahren des ersten gewählten Abstandsintervalls 59 derart, dass der optische Sensor 14 bei der Bewegung hin zu dem zu vermessenden Werkstück 12 mit einer Taktfrequenz F, insbesondere einer maximalmöglichen Taktfrequenz Fmax des optischen Sensors 14 Bildaufnahmen der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks 12 tätigt, wobei während der Tätigung der Bildaufnahmen mit zum Beispiel der maximalmöglichen Taktfrequenz Fmax jeweils ein Wert für das gewählte Kontrastkriterium und jeweils ein Kennwert für den Abstand 22 des optischen Sensors 14 zu dem zu vermessenden Werkstück 12 für jede der getätigten Bildaufnahmen ermittelt und zu einem Zahlenpaar für die weitere datentechnische Bearbeitung zusammengefügt werden. Die Fahrt des optischen Sensors 14 entlang des Abstandsintervalls 59 mit der Relativgeschwindigkeit V endet dann bei dem zweiten gewählten Abstand 36. Selbstverständlich ist es genauso möglich, dass bei dem Bestimmung- und Zuordnungsschritt 102 des Verfahrens 100 die Regelungseinrichtung 26 zunächst den optische Sensor 14 auf den zweiten gewählten Abstand 36 einstellt und dann das Abstandsintervall 59 in umgekehrter Richtung mit der Relativgeschwindigkeit V von dem zu vermessenden Werkstück 12 weg bis zum ersten gewählten Abstand 34 abgefahren wird. Genauso ist es selbstverständlich, dass statt dem Sensor 14 das zu vermessende Werkstück 12 im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 mit der Relativgeschwindigkeit V relativ zu dem Sensor 14 bewegt wird.
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Während der Relativbewegung entlang des ersten gewählten Abstandsintervalls 59 erfolgt gemäß dem Aufbereitungsschritt 104 des Verfahrens 100 eine sich laufend aktualisierende Zuordnung eines vorbestimmten Zahlenwertes X, zum Beispiel die Zahl 1, zu dem bisher besten Kontrastwert aller betrachteten Bilder aller bisher eingestellter Abstände 22. Relativ zu diesem Zahlenwert X werden alle anderen Kontrastwerte aller anderen Bilder aller anderen Abstände 22 entsprechende Bruchteile des Zahlenwerts X entsprechend ihrem Verhältnis des Kontrastwertes zu dem besten bisher festgestellten Kontrastwert zugeordnet. Insofern erfolgt während des Aufbereitungsschrittes 104 eine fortlaufende Normierung aller bisher festgestellten Kontrastwerte relativ zu dem besten bisher festgestellten Kontrastwert.
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Zum besseren Verständnis werden der Bestimmungs- und Zuordnungsschritt
102 sowie der Aufbereitungsschritt
104 nachfolgend anhand von Zahlenbeispielen für eine erste Fahrt entlang des ersten Abstandsintervalls
59 exemplarisch erläutert. Hierzu wird angenommen, dass das erste Abstandsintervall mit acht Bildaufnahmen für acht Abstände
A1 bis
A8 abgedeckt werden soll und dass bei den folgenden Zahlen sich der Sensor
14 gerade mit der Relativgeschwindigkeit V zwischen dem sechsten Abstand
A6 und dem siebten Abstand
A7 bewegt, so dass sechs Bildaufnahmen mit sechs Kontrastwerten aktuell vorliegen, woraus sich folgende Zahlenpaare nach dem Bestimmungs- und Zuordnungsschritt
102 ergeben, mit (Abstand / Kontrastwert):
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Gemäß dem Aufbereitungsschritt
104 ergeben sich hieraus dann folgende normierte Zahlenpaare, wenn für den Zahlenwert X zum Beispiel der Zahlenwert
1 gewählt wird und wenn die Kontrastwerte durch zugeordnete Zahlenwerte ersetzt werden, die entsprechend dem Kontrastverhältnis zum aktuellen Bestwert Bruchteile des Zahlenwerts X=1 bilden:
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Anhand der normierten Zahlenpaare ist zu erkennen, dass der bisher beste Kontrastwert beim Abstand A6 ermittelt wurde und dass diesem Kontrastwert der Zahlenwert X=1 zugeordnet wurde. Alle anderen Kontrastwerte für die Abstände A1 bis A5 wurden nur Bruchteile des Zahlenwertes X=1 entsprechend dem relativen Verhältnis der Kontrastwerte zu dem bisherigen Bestwert zugeordnet.
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Durch die unmittelbar anschließende Bildauswertung der siebten Bildaufnahme beim siebten Abstand
A7 können sich zum Beispiel nun folgende Zahlenpaare gemäß dem Bestimmungs- und Zuordnungsschritt
102 ergeben:
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Damit weist nun der siebte Abstand den höchsten Kontrastwert
246 auf. Gemäß dem Aufbereitungsschritt
104 ergeben sich dann die folgenden sieben normierten Zahlenpaare für die aktuelle Messsituation von sieben getätigten Bildaufnahmen der acht zu tätigenden Bildaufnahmen des Abstandsintervalls
59:
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Anhand der angegebenen Zahlenpaare ist zu erkennen, dass durch das neu hinzugekommenen Zahlenpaar für den Abstand A7 sich zwar die restlichen Zahlenpaare für die Abstände A1 bis A6 nicht ändern, wohl aber die normierten Zahlenpaare, da nun dem Abstand A7 statt dem Abstand A6 der Zahlenwert X=1 zugeordnet wurde. Insofern ändern sich die normierten Zahlenpaare immer dann, wenn durch das hinzugekommene Zahlenpaar ein neuer Bestwert für das Kontrastkriterium erreicht wurde.
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In dem Analyseschritt 106 des Verfahrens 100 wird nun betrachtet, ob wenigstens einer der zugeordneten Zahlenwerte aller bisher eingestellter Abstände 22 kleiner als ein vorgegebener unterer Minimalwert M ist, wobei M < X gilt. Sollte dies nach Beendigung der Fahrt entlang des ersten Abstandsintervalls 59 nicht der Fall sein, so wird ein neues Abstandsintervall definiert, welches größer ist als das zuvor eingestellte Abstandsintervall 59. Alternativ kann das neue, größere Abstandsintervall dadurch realisiert werden, dass in Abfahrtrichtung des zuvor eingestellten Abstandsintervalls 59 noch bei mehr Abständen 22 außerhalb des Abstandsintervalls 59 Bildaufnahmen getätigt werden. Anschließend wird dann in dem neuen Abstandsintervall der Bestimmung- und Zuordnungsschritt 102, der Aufbereitungsschritt 104 und der Analyseschritt 106 solange iterativ durchgeführt und notfalls eine neues und noch größeres Abstandsintervall definiert, bis wenigstens einer der zugeordneten Zahlenwerte kleiner als der Minimalwert M ist. Sobald einer der zugeordneten Zahlenwerte aller bisher eingestellter Abstände 22 kleiner als der Minimalwert M ist, wird mit dem Annäherungsschritt 108 des Verfahrens 100 fortgefahren.
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Bei dem vorliegenden Zahlenbeispiel der sieben gemessenen Abstände des ersten Abstandsintervalls
59 mit acht vorgesehenen Messungen haben wir bei einem Minimalwert M von zum Beispiel M=0,75 noch keinen zugeordneten Zahlenwert, der unter dem Minimalwert liegt. In einem solchen Fall wird nach der Messung des achten Abstandes
A8 ein neues Abstandsintervall definiert, welches größer ist als das zuvor eingestellte Abstandsintervall
59. Alternativ kann das neue, größere Abstandsintervall auch dadurch realisiert werden, dass in Abfahrtrichtung des zuvor eingestellten Abstandsintervalls
59 noch bei mehr Abständen
22 außerhalb des Abstandsintervalls
59 Bildaufnahmen getätigt werden. Im letzteren Fall werden für das Zahlenbeispiel nun für die weiteren Abstände
A8 und
A9 folgende weiteren Werte angenommen: (A8 / 260) und (A9 / 270), so dass sich nun folgende Zahlenpaare und normierten Zahlenpaare nach neun Messungen in dem um den Abstand
A9 erweiterten Abstandsintervall
59 ergeben:
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Mit dem Zahlenpaar (A1 / 0,69) liegt nun ein zugeordneter Zahlenwert von 0,69 vor, der unter dem vorgegebenen unteren Minimalwert von zum Beispiel M=0,75 liegt. Insofern kann nun davon ausgegangen werden, dass die bisher ermittelten Messwerte kein Messrauschen mehr darstellen.
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In dem Annäherungsschritt 108 wird dann zunächst ein weiterer Schwellwert Y mit M < Y < X vorgegeben und ein neues Abstandsintervall um den aktuellen Bestwert mit dem Zahlenwert X herum definiert. Dieses neue Abstandsintervall kann hierbei kleiner sein als das zuvor eingestellte Abstandsintervall. Bei dem vorliegenden Zahlenbeispiel der neun gemessenen Abstände des ersten Abstandsintervalls 59 mit ursprünglich acht vorgesehenen Messungen haben wir bei einem Schwellwert von zum Beispiel Y=0,8 insgesamt sieben zugeordnete Zahlenwerte über diesem Schwellwert von Y=0,8. Insofern kann nun ein neues Abstandsintervall 66 anhand der Abstände dieser sieben zugeordneten Zahlenwerte definiert werden. Im einfachsten Fall wäre das neue Abstandsintervall 66 bei dem gewählten Zahlenbeispiel durch den Abstand A3 als ersten Abstand 34" und durch A9 als zweiten Abstand 36" gegeben. Allerdings weist der zugeordnete Zahlenwert des Abstandes A9 gerade den aktuellen Bestwert aller bisher zugeordneten Zahlenwerte auf, weswegen vermutet werden darf, dass der Abstand A9 entweder bereits sehr nahe der besten Fokuslage liegt oder die beste Fokuslage hinter A9 aus Richtung A3 gesehen liegen muss. Insofern wird für das neue Abstandsintervall ein zweiter Abstand 36" für das gegebene Zahlenbeispiel der neun gemessenen Abstände gewählt, welcher von A3 aus gesehen hinter A9 liegt.
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3b zeigt im linken Teil der Darstellung eine Kopie der 3a zur Darstellung des ursprünglichen Abstandsintervalls 59 und im rechten Teil zum Größenvergleich ein neue Abstandsintervall 66 des Annäherungsschrittes 108, wobei hierbei angenommen wurde, dass das neue Abstandsintervall 66 der 3b kleiner als das erste Abstandsintervall 59 ist. Selbstverständlich funktioniert das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren allerdings auch dann, wenn das neue Abstandsintervall 66 größer oder gleich groß zum Abstandsintervall 59 gewählt wird. In einem solchen Fall benötigt das neue erfindungsgemäße Verfahren dann allerdings mehr Zeit. In dem neuen Abstandsintervall 66 werden mindestens drei Abstände 34", 36" und 58" eingestellt, bei denen die Bildaufnahmen durch die Datenverarbeitungseinheit 28 während der Tätigung der Bildaufnahmen ausgewertet werden. Die Abstände 34" und 36" werden dabei entsprechend jeweils am Ende des neuen Abstandsintervalls 66 ausgewählt.
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Für das neue Abstandsintervall 66 wird im Rahmen des Bestimmungs- und Zuordnungsschrittes 102 des Verfahrens 100 zunächst die Relativgeschwindigkeit V des Sensors 14 wiederum so gewählt, dass der optische Sensor 14 ausgehend beim Abstand 34" bei der Bewegung hin zu dem zu vermessenden Werkstück 12 mit der Taktfrequenz F, insbesondere der maximalmöglichen Taktfrequenz Fmax des optischen Sensors 14 Bildaufnahmen der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks 12 tätigt, wobei während der Tätigung der Bildaufnahmen mit zum Beispiel der maximalmöglichen Taktfrequenz Fmax jeweils ein Wert für das gewählte Kontrastkriterium und jeweils ein Kennwert für den Abstand 22 des optischen Sensors 14 zu dem zu vermessenden Werkstück 12 für jede der getätigten Bildaufnahmen ermittelt und zu einem Zahlenpaar für die weitere datentechnische Bearbeitung zusammengefügt werden. Die Fahrt des optischen Sensors 14 entlang des Abstandsintervalls 66 mit der Relativgeschwindigkeit V endet dann bei dem zweiten gewählten Abstand 36". Selbstverständlich ist es genauso möglich, dass bei dem Bestimmung- und Zuordnungsschritt 102 des Verfahrens 100 die Regelungseinrichtung 26 zunächst den optische Sensor 14 auf den zweiten gewählten Abstand 36" einstellt und dann das neue Abstandsintervall 66 in umgekehrter Richtung mit der Relativgeschwindigkeit V von dem zu vermessenden Werkstück 12 weg bis zum ersten gewählten Abstand 34" abgefahren wird. Genauso ist es selbstverständlich, dass statt dem Sensor 14 das zu vermessende Werkstück 12 im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 mit der Relativgeschwindigkeit V relativ zu dem Sensor 14 bewegt wird. Für das neue Abstandsintervall 66 werden mindestens drei Abstände 34", 58" und 36" für eine Bildaufnahme ausgewählt, bevorzugt sind es jedoch fünf Abstände. Für jeden der gewählten Abstände wird während der Abfahrt des neuen Abstandsintervalls 66 unmittelbar nach Tätigung des Bestimmungs- und Zuordnungsschrittes 102 der Aufbereitungsschritt 104 und sodann der Überprüfungsschritt 109 des Verfahrens 100 durchgeführt.
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Bei dem Überprüfungsschritt 109 wird betrachtet, ob wenigstens ein zugeordneter Zahlenwert aller bisher eingestellten Abstände 22, der einer linken Flanke einer Kontrastwertkurve zugeordnet werden kann und ob wenigstens ein weiterer zugeordneter Zahlenwert aller bisher eingestellten Abstände 22, der rechten Flanke der Kontrastwertkurve zugeordnet werden kann, betragsmäßig über dem unteren Schwellwert Y liegen, ist dies der Fall, so wird aus wenigstens diesen beiden zugeordneten Zahlenwerten ein letztes Abstandsintervall definiert. Sollte dies nicht möglich sein, so wird anhand dem Annäherungsschritt 108 unter Berücksichtigung aller vorliegenden Abstände 22 aller bisher betrachteten Abstandsintervalle 59, 66 ein weiteres neues Abstandsintervall definiert. Dies wird iterativ so lange fortgesetzt, bis anhand des Überprüfungsschrittes 109 ein letztes Abstandsintervall definiert werden kann.
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Bei dem bisherigen Zahlenbeispiel könnte zum Beispiel um den aktuellen Bestwert
A9 herum ein neues, kleineres Abstandsintervall
66 mit den Abstandswerten
A7 bis
A11 definiert werden. Nach Abfahrt dieses neunen Abstandsintervalls
66 könnten sich dann zum Beispiel folgende Zahlenpaare bzw. normierten Zahlenpaare für die fünf Abstände ergeben:
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Bei der Abfahrt des neuen Abstandsintervalls 66 wurden hierbei zufällig die Abstände A7 bis A9 des ersten Abstandsintervalls 59 erneut angefahren. Dies kann sich bei der Definition des neuen Abstandsintervalls 66 anhand des Annäherungsschrittes 108 so ergeben, es ist aber für das Verfahren 100 nicht zwingend erforderlich noch notwendig, dass Abstände 22 verschiedener Abstandsintervalle 59, 66 gleich sind. Bei der erneuten Abfahrt der Abstände A7 bis A9 des vorliegenden Zahlenbeispiels ergeben sich nun im Rahmen der Messunsicherheit anderer Kontrastwerte, die auch in andere zugeordnete Zahlenwerte münden. Anhand des Überprüfungsschrittes 109 des Verfahrens 100 kann nun für die fünf Abstände A7 bis A11 festgestellt werden, dass von A7 bis A9 ein Zuwachs des Kontrastes vorliegt und folglich die Abstände A7 und A8 einer linken Flanke einer Kontrastwertkurve zugeordnet werden können, ferner kann für die Abstände A9 bis A11 eine Abnahme des Kontrastes festgestellt werden, so dass die Abstände A10 und A11 einer rechten Flanke der Kontrastwertkurve zugeordnet werden können. Somit gibt es wenigsten einen zugeordneten Zahlenwert, der einer linken Flanke einer Fokuskurve zugeordnet werden kann und wenigstens einen zugeordneten Zahlenwert, der einer rechten Flanke einer Fokuskurve zugeordnet werden kann. Anhand dieser zugeordneten Zahlenwerte über dem Schwellwert von Y=0,8, die unterschiedlichen Ästen einer Kontrastwertkurve zugeordnet werden können, wird nun im Rahmen des Überprüfungsschrittes 109 ein letztes Abstandsintervall zum Beispiel zwischen A8 und A10 für eine finale Messung anhand des Anpassungsschrittes 110 definiert.
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Im Rahmen des Anpassungsschrittes 110 wird dann der Bestimmungs- und Zuordnungsschritt 102 für das letztes Abstandsintervall zwischen A8 und A10 und eventuell zusätzlich der Aufbereitungsschritt 104 durchgeführt. Ferner wird eine Funktion an die Zahlenpaare des zuletzt gewählten Abstandsintervalls angepasst und daraus der beste Fokusabstand ermittelt. Hierbei kann die Anpassung der Funktion direkt an die Zahlenpaare des Bestimmungs- und Zuordnungsschrittes 102 oder direkt an die normierten Zahlenpaare des Aufbereitungsschrittes 104 erfolgen. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass aus den beiden Zahlenpaaren abgeleitete mathematische Werte gebildet werden an die dann eine Funktion angepasst wird. Zum Beispiel ist es denkbar, dass bei dem Anpassungsschritt 110 eine Gauß-Funktion an die Zahlenpaaren angepasst wird, wobei die Zahlenpaare des Anpassungsschrittes 110 aus den Abstandswerten des zuletzt gewählten Abstandsintervalls und abgeleiteten Werten gebildet werden, wobei die abgeleiteten Werte sich mathematisch aus einem funktionalen Zusammenhang aus den ermittelten Werten des Kontrastkriteriums gemäß dem Bestimmungs- und Zuordnungsschritt 102 des Verfahrens 100 und/oder aus den zugeordneten Zahlenwerten gemäß dem Aufbereitungsschritt 104 des Verfahrens 100 ergeben.
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4a zeigt ein Diagramm für Zahlenpaare des Verfahrens 100 mit zugeordnete Zahlenwerte aufgetragen entlang der Vertikalen nach Ausführung des Bestimmungs- und Zuordnungsschrittes 102 sowie des Aufbereitungsschrittes 104 während einer ersten Abfahrt eines ersten Abstandsintervalls 59 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahrens 100, wobei die Abstandswerte der Zahlenpaare entlang der Horizontalen aufgetragen sind. Die angegebenen Daten der Diagramme 4a bis 4e beruhen dabei auf realen Messwerten eines Koordinatenmessgeräts bei dem das erfindungsgemäße Verfahren 100 bzw. Computerprogramm implementiert war. Für die Diagramme 4a bis 4e wurde jeweils der Wert X=1 als zugeordneter Zahlenwert für den besten Fokus verwendet.
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Es ist zu erkennen, dass bereits nach wenigen Abstandswerten des ersten Abstandsintervalls der 4a ein unterer Minimalwert von M=0,6 des Analyseschrittes 106 sowie ein unterer Schwellwert Y=0,8 des Annäherungsschrittes 108 durch zugeordnete Zahlenwerten von bestimmten Abstandswerten unterschritten wird, so dass im Rahmen des Annäherungsschrittes 108 ein neues Abstandsintervall 66 um den aktuellen Bestwert mit dem zugeordneten Zahlenwert X=1 herum definiert werden kann.
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4b zeigt nun wie das Koordinatenmessgerät 10, ohne das ursprünglich vorgesehene erste Abstandsintervall 59 bis zum letzten Abstandswert hin abzufahren, durch das Verfahren 100 in die entgegengesetzte Richtung entlang des neuen Abstandsintervall 66 um den bisherigen besten zugeordneten Zahlenwert X=1 gesteuert wird. Hierbei ist anzumerken, dass für alle 4a bis 4e ein Offset in den Abstandswerten vorgesehen wurde, sobald die Abfahrrichtung eines Abstandsintervalls geändert wurde. Dieser Offset war für die Darstellung der Figuren notwendig, da ansonsten alle Werte auf ein und derselben Kontrastwertkurve gelegen hätten und die mehrmaligen Richtungswechsel in den Abstandsintervallen nicht anhand der Daten der Figuren hätten erläutert werden können.
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4c zeigt wie das Verfahren 100 über den bisherigen besten zugeordneten Zahlenwert X=1 hinaus beim Abfahren des neuen Abstandsintervalls 66 bessere Kontrastwerte und damit auch einen neunen besten zugeordneten Zahlenwert X=1 findet. Dieser liegt nun etwa bei dem Abstandswert von 0,29 statt bei dem bisherigen Abstandswert von etwa 0,5. Bei dem Abfahren des neuen Abstandsintervalls 66 wird nun wiederum der Bestimmungs- und Zuordnungsschritt 102, der Aufbereitungsschritt 104, der Analyseschritt 106, der Annäherungsschritt 108 sowie der Überprüfungsschritt 109 wie beim Abfahren des vorherigen Abstandsintervalls 59 durchgeführt.
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Anhand der Daten der 4c kann nun ein letztes Abstandsintervall gemäß dem Überprüfungsschritt 109 definiert werden, da wenigstens zwei zugeordnete Zahlenwerte oberhalb des vorgegebenen Schwellwertes von Y=0,8 vorliegen, die jeweils einer linken Flanke und einer rechten Flanke einer Kontrastwertkurve zugeordnet werden können.
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Die 4d zeigt nun wiederum den Richtungswechsel, den das Verfahren 100 zum Abfahren des letzten Abstandsintervalls vornimmt.
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Die Daten der letzten Durchfahrung des letzten Abstandsintervalls sind zusammen mit allen bisherigen Daten in 4e dargestellt. Insgesamt stellt die 4e die Daten von drei verschiedenen Abstandsintervallen, dem ersten Abstandsintervall 59, dem neuen Abstandsintervall 66 und dem letzten Abstandsintervall dar, wobei zur besseren Darstellung - wie bereits erwähnt - bei jedem Richtungswechsel ein Offset in die Daten eingerechnet wurde. An die Daten der letzten Durchfahrung des letzten Abstandsintervalls wird nun im Rahmen des Anpassungsschrittes 110 eine Funktion bestmöglich angepasst und anhand dieser Funktion wird dann der beste Fokus bzw. der beste Abstand mit dem höchsten Kontrast ermittelt.
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Dabei kann diese Funktion an die Zahlenpaare der letzten Durchfahrung oder auch an die normierten Zahlenpaare der letzten Durchfahrung angepasst werden. Hierzu ist auch denkbar, dass die Zahlenpaare des Anpassungsschrittes 110 aus den Abstandswerten des zuletzt gewählten Abstandsintervalls und abgeleiteten Werten gebildet werden, wobei die abgeleiteten Werte sich mathematisch aus einem funktionalen Zusammenhang aus den ermittelten Werten des Kontrastkriteriums gemäß dem Bestimmungs- und Zuordnungsschritt 102 des Verfahrens 100 und/oder aus den zugeordneten Zahlenwerten gemäß dem Aufbereitungsschritt 104 des Verfahrens 100 ergeben.
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5 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 gemäß einer Ausführungsform. Nach dem Starten der Messung durch eine entsprechende Eingabe des Bedieners am Eingabegerät 30 wird seitens der Datenverarbeitungseinheit 28 sowie der Regelungseinrichtung 26 der Bestimmungs- und Zuordnungsschritt 102 mit Hilfe des Koordinatenmessgeräts 10 beim Abfahren mit einer Relativgeschwindigkeit V eines ersten Abstandsintervalls 59 in einer Richtung zum zu vermessenden Werkstück 12 hin oder von diesem weg durchgeführt. Zur Durchführung des Bestimmungsschrittes kann zunächst ein Startwert für den zu erwartenden Abstand 32 eingestellt bzw. eingegeben werden. Hierzu sind verschiedene Möglichkeiten denkbar, wie zum Beispiel, dass das Koordinatenmessgerät zunächst manuell von dem Bediener auf den zu erwartenden Abstand 32 vor dem Starten des Bestimmungsschrittes eingestellt wird, oder, dass der Bediener den zu erwartenden Abstand 32 am Beginn des Bestimmungsschrittes am Eingabegerät 30 eingibt, oder auch, dass die Datenverarbeitungseinheit 28 von sich aus zum Beispiel aufgrund bekannter Messungen in der Vergangenheit einen solchen zu erwartenden Abstand 32 vorschlägt. Ausgehend von diesem zu erwartenden Abstand 32 wird von der Datenverarbeitungseinheit 28 ein erster Abstand 34 und ein zweiter Abstand 36 gewählt. Diese Wahl wird dabei so getroffen, dass das durch die beiden gewählten Fokusabständen resultierende erste Abstandsintervall Ai mit dem Bezugszeichen 59 ein Vielfaches der Schärfentiefe DOF beträgt gemäß Ai = a * DOF mit einem Faktor a in einem Bereich 0,1 < a < 20, vorzugsweise in einem Bereich 0,2 < a < 4. Dieser Faktor a kann sowohl von der Datenverarbeitungseinheit 28 vorgegeben oder vorgeschlagen werden als auch vom Bediener eingegeben werden.
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Ausgehend von diesem ersten festgelegten Abstand 34 wird nun das erste gewählte Abstandsintervall 59 im Rahmen des Bestimmungs- und Zuordnungsschrittes 102 des Verfahrens 100 immer in ein und derselben Änderungsrichtung des Abstandes 22 entweder zum Werkstück hin oder vom Werkstück weg durchfahren, wobei bei der Bewegung des optischen Sensors 14 zu dem zu vermessenden Werkstück 12 hin oder bei einer Bewegung des optischen Sensors 14 von dem zu vermessenden Werkstück 12 weg der optische Sensor 14 mit einer Taktfrequenz F des optischen Sensors 14 Bildaufnahmen der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks 12 tätigt und wobei während der Tätigung der Bildaufnahmen mit der Taktfrequenz F jeweils ein Wert für ein Kontrastkriterium und jeweils ein Kennwert für den Abstand des optischen Sensors 14 zu dem zu vermessenden Werkstück 12 für jede der Bildaufnahmen ermittelt und zu einem Zahlenpaar für die weitere datentechnische Bearbeitung zusammengefügt werden.
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In einem nachfolgenden Aufbereitungsschritt 104 wird nun dem Wert von allen bisher ermittelten Werten des Kontrastkriteriums aller bisher eingestellter Abstände 22, der den besten Kontrast repräsentiert, dem sogenannten aktuellen Bestwert, ein bestimmter Zahlenwert X zugeordnet. Ferner werden allen übrigen Werten entsprechend ihrem Zahlenverhältnis zum aktuellen Bestwert Bruchteile des Zahlenwerts X als Zahlenwerte zugeordnet.
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In einem nachfolgenden Analyseschritt 106 wird zunächst ein unterer Minimalwert M < X vorgegeben. Anschließend wird dann betrachtet, ob wenigstens einer der zugeordneten Zahlenwerte aller bisher eingestellter Abstände 22 kleiner als M ist. Sollte dies nicht der Fall sein, so wird ein neues Abstandsintervall definiert, welches größer ist als das zuvor eingestellte Abstandsintervall.
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In einem Annäherungsschritt 108 wird zunächst ein unterer Schwellwert Y mit M < Y < X vorgegeben und ein neues Abstandsintervall um den aktuellen Bestwert mit dem Zahlenwert X herum definiert.
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In einem Überprüfungsschritt 109 wird betrachtet, ob wenigstens ein zugeordneten Zahlenwerte aller bisher eingestellten Abstände 22, der einer linken Flanke einer Kontrastwertkurve zugeordnet werden kann und ob wenigstens ein weiterer zugeordneter Zahlenwert aller bisher eingestellten Abstände 22, der einer rechten Flanke der Kontrastwertkurve zugeordnet werden kann, betragsmäßig über dem unteren Schwellwert Y liegen, ist dies der Fall, so wird aus wenigstens diesen beiden zugeordneten Zahlenwerten ein letztes Abstandsintervall definiert.
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In einem Anpassungsschritt 110 wird dann eine Funktion an die Zahlenpaare des zuletzt gewählten Abstandsintervalls angepasst und daraus der beste Fokusabstand ermittelt.
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Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 gemäß der in 5 beispielhaft dargestellten Ausführungsform lässt sich wie folgt darstellen: Zunächst werden der Zuordnungs- und Bestimmungsschritt 102 und der Aufbereitungsschritt 104 des Verfahrens 100 während der Änderung des Abstandes 22 innerhalb eines Abstandsintervalls und der Analyseschritt 106 solange durchgeführt, bis unter dem Annäherungsschritt 108 ein neues Abstandsintervall definiert werden kann, wobei anschließend innerhalb diesem neuen Abstandsintervall der Zuordnungs- und Bestimmungsschritt (102), der Aufbereitungsschritt (104) und der Annäherungsschritt (108) des Verfahrens (100) solange während der Änderung des Abstandes (22) innerhalb des neuen Abstandsintervalls iterativ wiederholt und gegebenenfalls unter dem Annäherungsschritt (108) weitere neue Abstandsintervalle definiert werden bis anhand des Überprüfungsschrittes (109) ein letztes Abstandsintervall definiert werden kann, wobei anschließend innerhalb diesem letzten Abstandsintervall der Zuordnungs- und Bestimmungsschritt (102) sowie der Aufbereitungsschritt (104) während der Änderung des Abstandes (22) innerhalb des letzten Abstandsintervalls durchgeführt werden, wodurch Zahlenpaare für dieses letzte Abstandsintervall gewonnen werden, aus denen mit Hilfe des Anpassungsschrittes (110) ein bester Fokusabstand innerhalb des zuletzt gewählten Abstandsintervalls ermittelt werden kann.
