DE102019208114B4

DE102019208114B4 - Vorrichtung und Verfahren zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten

Info

Publication number: DE102019208114B4
Application number: DE102019208114.2A
Authority: DE
Inventors: Nils Haverkamp
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2022-03-17
Anticipated expiration: 2039-06-05
Also published as: US11041799B2; DE102019208114A1; US20200386671A1

Abstract

Vorrichtung (110) zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten eines Messobjekts (112) oder Teilen des Messobjekts (112) in einem Koordinatenmessgerät umfassend:- mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung (118), welche eingerichtet ist, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl (120) zu erzeugen und das Messobjekt (112) zu beleuchten;- mindestens ein Objektiv (126), wobei das Objektiv (126) einen chromatischen Längsfehler aufweist;- mindestens einen Farbsensor (132), welcher in einer Bildebene des Objektivs (126) angeordnet ist, wobei der Farbsensor (132) eingerichtet ist, um einen von dem Messobjekt (112) in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl (120) erzeugten Messlichtstrahl (134) zu erfassen und mindestens einen spektralabhängigen Bildrauminhalt zu bestimmen,- mindestens zwei Strahlengänge, wobei mindestens ein erster Strahlengang den Farbsensor (132) aufweist, wobei mindestens ein zweiter Strahlengang eine monochromatische Abbildungsvorrichtung (144) aufweist;- mindestens eine Auswerteeinheit (136), welche eingerichtet ist, um aus dem spektralabhängigen Bildrauminhalt mindestens eine Tiefeninformation zu bestimmen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten, ein Verfahren zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten eines Messobjekts oder Teilen des Messobjekts, ein Computerprogramm und ein Computerprogramm-Produkt. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik.
Technischer Hintergrund
In optischen Koordinatenmessgeräten wird in zunehmendem Maße und ergänzend zur Geometrieerfassung eine Erfassung der Farbe der zu vermessenden Gegenstände gewünscht. Dabei werden regelmäßig Kompromisse eingegangen, da eine hohe Auflösung, eine schnelle Messung, ein geringer apparativer Aufwand, und große Farbtreue nicht ohne weiteres gleichzeitig erreicht werden können.
Zudem handelt es sich bei den so genannten Farbsystemen zumeist um RGB (Rot, Grün und Blau)-Systeme, welche ein Farb-Auszugsystem darstellen. RGB-Systeme können ggf. den Farbeindruck für das menschliche Auge zwar in vielen Fällen darstellen. Eine tatsächlich vollständige Erfassung des Farbraumes bzw. des Verhaltens einer Probe im Farbraum lassen diese Systeme aber nicht zu.
DE 10 2005 043 627 A1 beschreibt einen optischen Sensor und Verfahren zur optischen Abstands- und/oder Farbmessung nach dem chromatischen, konfokalen Abbildungsprinzip mit einer wellenlängenselektiven Auswertung des von einer Messoberfläche remittierten Lichtes mit einer Beleuchtungseinheit, wobei ein abstandsabhängiges Wellenlängenspektrum und eine spektrale Reflexion getrennt voneinander erfasst, Messwerte des abstandsabhängigen Wellenlängenspektrums mit korrespondierenden Meßwerten der spektralen Reflexion korrigiert und die korrigierten Werte in Abstandswerte umgerechnet werden.
DE 10 2017 108 033 A1 beschreibt ein Verfahren zur Messung von Koordinaten oder Eigenschaften einer Werkstückoberfläche mit einem Koordinatenmessgerät mit einer daran befestigten Positioniereinrichtung, die mehrere Freiheitsgrade der Bewegung hat und ein Messinstrument trägt. Zunächst wird eine Pose bestimmt, an der sich das Messinstrument während einer an dem Werkstück durchgeführten Messung befinden soll. Für jeden Freiheitsgrad der Bewegung wird ein Wert für einen Steuerungsparameter so bestimmt, dass das Messinstrument die zuvor bestimmte Pose einnimmt. An dieser Pose führt das Messinstrument sodann eine Messung aus. Wenn man nun die Pose desselben Werkstücks verändert oder das Werkstück gegen ein gleichartiges Werkstück austauscht, wird für jeden Freiheitsgrad der Bewegung ein neuer Wert für den jeweiligen Steuerungsparameter bestimmt, und zwar so, dass das Messinstrument die anfangs bestimmte Pose relativ zu demselben beziehungsweise zu dem gleichartigen Werkstück einnimmt. Die neuen Werte für die Steuerungsparameter werden dabei durch inverse Kinematik bestimmt.
M. Hubold et al., „Ultra-compact microoptical system for multispectral imaging,“ Proc. SPIE 10545, MOEMS and Miniaturized Systems XVII, 105450V beschreiben ein multispektrales Bildgebungskonzept, das auf einem Multi-Apertur-Systemansatz in Kombination mit einem schrägen linearen variablen Spektralfilter basiert.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten, ein Verfahren zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten eines Messobjekts oder Teilen des Messobjekts, ein Computerprogramm und ein Computerprogramm-Produkt bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine gleichzeitige 3D Vermessung von Messobjekten in verschiedenen Entfernungen oder Teilen eines Messobjekts in verschiedenen Entfernungen mit hoher Auflösung ermöglicht werden.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten, ein Verfahren zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten eines Messobjekts oder Teilen des Messobjekts, ein Computerprogramm und ein Computerprogramm-Produkt mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben dem durch diese Begriffe eingeführten Merkmal, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe oder ähnliche Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten eines Messobjekts oder Teilen des Messobjekts in einem Koordinatenmessgerät vorgeschlagen.
Unter einem Messobjekt kann dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebig geformtes zu vermessendes Objekt verstanden werden. Beispielsweise kann das Messobjekt ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus einem Prüfling, einem zu vermessenden Werkstück und einem zu vermessenden Bauteil, beispielsweise einem Kraftfahrzeug. Auch andere Messobjekte sind jedoch denkbar. Insbesondere kann es sich bei dem Messobjekt um ein flächiges Messobjekt handeln, beispielsweise mit mindestens einer ausgedehnten Oberfläche. Die Oberfläche kann zumindest teilweise reflektierend sein. Unter teilweise reflektierend kann verstanden werden, dass die Oberfläche des Messobjekts eingerichtet ist, zumindest einen Anteil eines Beleuchtungslichtstrahl zu spiegeln und/oder zu remittieren. Das Messobjekt kann eine Mehrzahl von Oberflächen und/oder Teile aufweisen, welche in verschiedenen Tiefen und/oder Ebenen, beispielsweise entlang einer z-Koordinate oder longitudinalen Koordinate, angeordnet sein können.
Der Begriff „Objektkoordinate“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf mindestens eine x-, y- oder z-Koordinate des Messobjekts beziehen, wobei die x- und y-Koordinaten als transversale Koordinaten und die z-Koordinate als longitudinale Koordinate, Abstandskoordinate oder Tiefenkoordinate bezeichnet werden. Die Vorrichtung, insbesondere ein weiter unten beschriebenes Objektiv der Vorrichtung, kann eine optische Achse aufweisen. Zu diesem Zweck können ein oder mehrere Koordinatensysteme verwendet werden. Beispielsweise kann ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem verwendet werden. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Unter einer Bestimmung einer Koordinate kann insbesondere eine Bestimmung eines Abstandes zwischen dem jeweiligen Bestimmungsort des Messobjekts und der Vorrichtung verstanden werden, beispielsweise ein Abstand zwischen dem jeweiligen Bestimmungsort des Messobjekts und mindestens einem Element der Vorrichtung, insbesondere dem Objektiv.
Der Begriff „3D Vermessung“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Bestimmung der z- Koordinate eines Bestimmungsorts auf mindestens einer Oberfläche des Messobjekts beziehen. Weiter kann zusätzlich eine Bestimmung der transversalen Koordinaten erfolgen. Unter dem Ausdruck „Bestimmungsort“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein grundsätzlich beliebiger Ort, insbesondere ein Punkt oder eine Fläche, auf der zu vermessenden Oberfläche des Messobjekts verstanden werden, an welchem eine Bestimmung einer longitudinalen Koordinate erfolgt. Beispielsweise kann ein Bestimmungsort ein Messpunkt auf der Oberfläche des Messobjekts sein.
Der Begriff „Koordinatenmessgerät“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Vorrichtung auf dem technischen Gebiet der industriellen Messtechnik beziehen, welche eingerichtet ist, das Messobjekt, insbesondere eine Oberfläche eines Werkstücks, abzutasten. Das Koordinatenmessgerät kann in Portal-, Stativ- oder Brückenbauweise ausgestaltet sein. Das Koordinatenmessgerät kann einen Messtisch zur Auflage des mindestens einen Messobjekts aufweisen. Das Koordinatenmessgerät kann mindestens ein Portal aufweisen, welches mindestens eine erste vertikale Säule, mindestens eine zweite vertikale Säule und eine die erste vertikale Säule und die zweite vertikale Säule verbindende Traverse aufweist. Mindestens eine vertikale Säule ausgewählt aus der ersten und zweiten vertikalen Säule kann auf dem Messtisch in einer horizontalen Richtung beweglich gelagert sein. Die horizontale Richtung kann eine Richtung entlang einer y-Achse sein. Das Koordinatenmessgerät kann ein Koordinatensystem, beispielsweise ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem, aufweisen. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann beispielsweise durch einen Sensor des Koordinatenmessgeräts gegeben sein. Eine x-Achse kann senkrecht zur y-Achse, in einer Ebene der Auflagefläche des Messtischs verlaufen. Senkrecht zu der Ebene der Auflagefläche, in eine vertikale Richtung, kann sich eine z-Achse erstrecken. Die vertikalen Säulen können sich entlang der z-Achse erstrecken. Die Traverse kann sich entlang der x-Achse erstrecken. Das Koordinatenmessgerät kann mindestens einen Messschlitten aufweisen, welcher entlang der Traverse beweglich gelagert ist. Unter einem Messschlitten kann allgemein ein Schlitten verstanden werden, welcher eingerichtet ist, direkt oder mittels weiterer Bauteile die Vorrichtung zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten aufzunehmen. Die Bewegung der Elemente des Koordinatenmessgeräts kann manuell und/oder automatisch betrieben und/oder eingestellt und/oder verstellt werden. Das Koordinatenmessgerät kann mindestens einen Antrieb aufweisen, beispielsweise mindestens einen Motor. Das Koordinatenmessgerät kann eine Steuerungseinheit aufweisen, welche eingerichtet ist, Verlagerungen von Sensorik gegen das zu vermessende Werkstück maschinisiert und automatisiert durchzuführen. Die Steuerungseinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur und/oder ein Bedienpult. Das Koordinatenmessgerät kann eingerichtet sein, um das Messobjekt, insbesondere eine Oberfläche des Werkstücks, durch Bewegen des Portals und/oder des Messschlittens in allen drei Raumrichtungen mit der Vorrichtung zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten abzutasten. Die Vorrichtung zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten kann beispielsweise mindestens einen Tastkopf umfassen. Die Vorrichtung zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten kann eingerichtet sein, mindestens ein Signal zu erzeugen, beispielsweise ein elektronisches Signal. Das Koordinatenmessgerät kann weiterhin mindestens eine Auswerteeinheit aufweisen, welche eingerichtet ist, das von der Vorrichtung zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten erzeugte Signal auszuwerten und um aus dem Signal eine 3D Information über einen Messpunkt an der Oberfläche des Messobjekts zu erzeugen.
Die Vorrichtung umfasst:

- mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung, welche eingerichtet ist, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und das Messobjekt zu beleuchten;
- mindestens ein Objektiv, wobei das Objektiv einen chromatischen Längsfehler aufweist;
- mindestens einen Farbsensor, welcher in einer Bildebene des Objektivs angeordnet ist, wobei der Farbsensor eingerichtet ist, um einen von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten Messlichtstrahl zu erfassen und mindestens einen spektralabhängigen Bildrauminhalt zu bestimmen;
- mindestens eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist, um aus dem spektralabhängigen Bildrauminhalt mindestens eine Tiefeninformation zu bestimmen.

Die Vorrichtung umfasst die mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung, welche eingerichtet ist, den mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und das Messobjekt zu beleuchten. Unter einer „Beleuchtungsvorrichtung“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, mindestens einen Lichtstrahl zu erzeugen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann eingerichtet sein, um das Messobjekt sequentiell oder gleichzeitig mit mindestens zwei Wellenlängen zu beleuchten. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine monochromatische Lichtquelle aufweisen, welche eingerichtet ist, den Beleuchtungslichtstrahl mit einer Wellenlänge zu generieren. Die Beleuchtungsvorrichtung kann eine Mehrzahl von monochromatischen Lichtquellen aufweisen, wobei jede der Lichtquellen eingerichtet ist, Licht in einer anderen Wellenlänge zu erzeugen. Die monochromatischen Lichtquellen können eingerichtet sein, nacheinander oder gleichzeitig das Messobjekt zu beleuchten. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine polychromatische Lichtquelle und/oder mindestens eine Weißlichtquelle und/oder mindestens eine spektral breitbandige Lichtquelle aufweisen. Die Lichtquelle kann eine breite und gleichmäßig verteilte spektrale Dichte aufweisen. Unter „das Messobjekt zu beleuchten“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden werden, dass die Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet ist, das Messobjekt oder Teile des Messobjekts, insbesondere einen Punkt oder eine Fläche auf einer Oberfläche des Messobjekts, zu beleuchten. Die Beleuchtungsvorrichtung kann weiterhin mindestens ein weiteres optisches Element, insbesondere eine Linse, aufweisen, welches eingerichtet ist, den von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahl zu fokussieren.
Unter „Licht“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung elektromagnetische Strahlung in mindestens einem Spektralbereich ausgewählt aus dem sichtbaren Spektralbereich, dem ultravioletten Spektralbereich und dem Infraroten Spektralbereich verstanden werden. Der Begriff sichtbarer Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 380 nm bis 780 nm. Der Begriff Infraroter (IR) Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 780 nm bis 1000 µm, wobei der Bereich von 780 nm bis 1.4 µm als nahes Infrarot (NIR), und der Bereich von 15 µm bis 1000 µm als fernes Infrarot (FIR) bezeichnet wird. Der Begriff ultraviolett umfasst grundsätzlich einen Spektralbereich von 100 nm to 380 nm. Bevorzugt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung sichtbares Licht, also Licht aus dem sichtbaren Spektralbereich, verwendet. Unter dem Begriff „Lichtstrahl“ kann grundsätzlich eine Lichtmenge verstanden werden, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder ausgesandt wird. Der Lichtstrahl kann ein Strahlenbündel sein. Unter dem Begriff „Beleuchtungslichtstrahl“ kann ein Lichtstrahl verstanden werden, welcher das Messobjekt, insbesondere die Oberfläche des Messobjekts, beleuchtet.
Die Vorrichtung umfasst weiter das mindestens eine Objektiv. Der Begriff „Objektiv“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein optisches System, insbesondere ein reell abbildendes optisches System, mit mindestens einem optischen Element beziehen. Das Objektiv kann eine Mehrzahl von Linsenelementen und/oder Linsengruppen aufweisen. Unter einer „Linsengruppe“ kann ein optisches Element verstanden werden, welches mindestens zwei Linsenelemente aufweist. Das Objektiv kann mindestens eine diffraktive Linse aufweisen.
Das Objektiv kann insbesondere als Chromat ausgestaltet sein. Das Objektiv kann chromatisch aberrative Eigenschaften aufweisen. Unter dem Ausdruck „chromatisch aberrative“ Eigenschaften kann verstanden werden, dass das Objektiv eingerichtet ist, Anteile des Beleuchtungslichtstrahls wellenlängenabhängig zu trennen, beziehungsweise für unterschiedliche Wellenlängen unterschiedliche Abbildungseigenschaften aufzuweisen. Das Objektiv weist einen chromatischen Längsfehler, auch Farblängsfehler genannt, auf. Unter einem „chromatischen Längsfehler“ kann eine Abbildungseigenschaft verstanden werden, derart, dass Anteile eines Lichtstrahls mit unterschiedlicher Wellenlänge an jeweils verschiedenen Fokuspunkten in Abhängigkeit von der Wellenlänge fokussiert werden. Das Objektiv kann eingerichtet sein, um eine farb- und entfernungsabhängige Fokuslage des Beleuchtungslichtstrahls zu erzeugen. Insbesondere kann das Objektiv eingerichtet sein, um verschieden weit vom Objektiv entfernte Messobjekte oder Teile des Messobjekts mit jeweils unterschiedlichen Farben in die Bildebene scharf abzubilden. Das Objektiv kann eingerichtet sein alle Objektrauminhalte immer bei allen Farben abzubilden. Die Abbildung kann hierbei jedoch nicht für alle Objektrauminhalte bei allen Farben scharf erfolgen, wenn diese sich in unterschiedlichen Abständen im Objektraum befinden. Das Objektiv kann bildseitig telezentrisch und/oder objektseitig telezentrisch sein. Der Begriff „objektseitig“ bezieht sich dabei auf das zu messende Messobjekt. Unter „objektseitig telezentrisch“ kann verstanden werden, dass objektseitig die Hauptstrahlen parallel zur optischen Achse laufen. Unter „bildseitig telezentrisch“ kann verstanden werden, dass bildseitig die Hauptstrahlen parallel zur optischen Achse laufen. Die Vorrichtung, insbesondere das Objektiv, kann eingerichtet sein, um eine erweiterte Tiefenschärfe (EDOF) zu erzeugen.
Die Vorrichtung umfasst mindestens einen Farbsensor, welcher in einer Bildebene des Objektivs angeordnet ist. Der Begriff „Farbsensor“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen Sensor beziehen, welcher eingerichtet ist zu einer selektiven Erfassung und Bestimmung eines Spektralbereichs, insbesondere des sichtbaren Spektralbereichs. Der Farbsensor kann eine Mehrzahl von Spektralkanälen aufweisen. Der Begriff „Spektralkanal“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen Aufnahmekanal des Farbsensors beziehen. Die Spektralkanäle können über einen spektralen Bereich, beispielsweise vom sichtbaren bis zum nahen Infrarot, verteilt sein. Die Spektralkanäle können beispielsweise in einem Spektralbereich von 400 nm bis 1000 nm verteilt sein. Die Spektralkanäle können insbesondere äquidistant in dem Spektralbereich verteilt sein. Beispielsweise kann der Farbsensor ein RGB-Sensor sein, welcher drei Spektralkanäle aufweist, nämlich rot, grün und blau. Der Farbsensor kann mindestens einen Hyperspektralsensor aufweisen. Der Farbsensor kann mindestens vier Spektralkanäle, bevorzugt mindestens acht Spektralkanäle, besonders bevorzugt mindestens 25 Spektralkanäle, aufweisen. Je mehr Kanäle der Farbsensor aufweist, umso höher ist die spektrale Auflösung. Ein jeweiliger Spektralkanal kann eine bestimmte Bandbreite, insbesondere eine Halbwertsbreite (FWHM) aufweisen. Beispielsweise kann die Bandbreite kleiner als 20 nm, bevorzugt kleiner als 10 nm, besonders bevorzugt kleiner 5 nm im sichtbaren Spektralbereich bis zum nahen Infrarot sein. Der Farbsensor kann ein pixelierter Sensor sein. Der Farbsensor kann beispielsweise ein Sensorelement umfassend eine Matrix von Pixeln aufweisen, beispielsweise eine quadratische oder rechteckige oder kreisförmige Matrix. Auch andere Formen sind denkbar. Der Farbsensor kann eine Vielzahl von Pixeln für jeden Spektralkanal aufweisen. Beispielsweise kann der Farbsensor einen CMOS- oder CCD-Sensor aufweisen. Beispielsweise kann der Farbsensor acht Spektralkanäle und 256 x 256 Pixel pro Spektralkanal aufweisen. Beispielsweise kann der Farbsensor vier Spektralkanäle und 512 X 512 Pixel pro Spektralkanal aufweisen. Auch andere Anzahlen sind denkbar. Beispielsweise kann der Farbsensor als ein Hyperspektralsensor erhältlich unter der Bezeichnung msCAM™ Camera der Firma Spectral Devices Inc. ausgestaltet sein, beispielsweise als eine „8-band NIR camera“ oder als eine „4-band agriculture camera“.
Der Farbsensor ist eingerichtet, um einen von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten Messlichtstrahl zu erfassen und mindestens einen spektralabhängigen Bildrauminhalt zu bestimmen. Der Begriff „spektralabhängigen Bildrauminhalt“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine mit dem Farbsensor erfasste Lichtintensität der jeweiligen Wellenlänge in der Bildebene beziehen. Der Farbsensor kann eingerichtet sein, um die von dem Messobjekt erzeugten Messlichtstrahlen zu erfassen und ein Bild zu erzeugen, wobei jedes der Bildpixel, auch Bildkoordinate genannt, eine aufgenommene Lichtintensität für die jeweiligen Spektralkanäle aufweist.
Die Vorrichtung umfasst die mindestens eine Auswerteeinheit. Unter „einer Auswerteeinheit“ kann dabei allgemein eine elektronische Vorrichtung verstanden sein, welche eingerichtet ist, um von dem Farbsensor erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem Farbsensor und der Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht-flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um den Farbsensor anzusteuern. Die Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Auswerteeinheit kann ganz oder teilweise in den Farbsensor integriert sein. Der Farbsensor kann beispielsweise direkt oder indirekt mit der Auswerteeinheit verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteeinheit jedoch auch ganz oder teilweise am Ort des Farbsensors angeordnet sein, beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers, und/oder kann ganz oder teilweise in den Farbsensor integriert sein.
Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, um aus dem spektralabhängigen Bildrauminhalt mindestens eine Tiefeninformation zu bestimmen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um den spektralabhängigen Bildrauminhalt unter Verwendung mindestens eines Bildverarbeitungsverfahrens auszuwerten. In dem Bildverarbeitungsverfahren kann mindestens ein Algorithmus verwendet werden, welcher eingerichtet ist, mindestens einer Bildkoordinate des spektralabhängigen Bildrauminhalts eine Tiefenkoordinate zuzuordnen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, für jedes Pixel eine spektrale Intensitätsverteilung der Messlichtstrahlen zu bestimmen und aus der jeweiligen spektralen Intensitätsverteilung eine longitudinale Koordinate des jeweiligen Bestimmungsortes des Messobjekts zu bestimmen. Unter einer „spektralen Intensitätsverteilung“ kann eine Verteilung der Intensität des Messlichtstrahls als Funktion der Wellenlänge verstanden werden. Die Auswerteeinheit kann, insbesondere bei bekannten Eigenschaften des Objektivs, eingerichtet sein, um dem bestimmten Spektralkanal eine Tiefenkoordinate zuzuordnen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, für die mindestens eine Bildkoordinate des spektralabhängigen Bildrauminhalts denjenigen Spektralkanal zu bestimmen, welcher eine maximale Lichtintensität aufweist. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise eingerichtet sein, um ein Maximum der jeweiligen spektralen Intensitätsverteilung zu bestimmen, einer Wellenlänge zuzuordnen und aus der zugeordneten Wellenlänge die longitudinale Koordinate des Bestimmungsortes des Messobjekts zu bestimmen.
Bei einer gleichzeitigen Beleuchtung des Messobjekts mit einer Mehrzahl von Beleuchtungslichtstrahlen kann es ohne Farbfilterung vor dem Farbsensor zu einer Überlagerung der verschiedenen Bilder der jeweiligen Wellenlänge und zu einer unscharfen Abbildung kommen. Dieses kann mit einer sequentiellen Schaltung der Lichtquellen und anschließender Verrechnung der Bilder verhindert werden.
Bei einer Beleuchtung mit weißem Licht, also mit einem kontinuierlichen Spektrum, werden die entfernungsabhängig scharf abgebildeten Teile des Messobjekts aus dem zum jeweiligen Spektralkanal gehörenden Tiefenschärfebereich mittels des Farbsensors scharf abgebildet. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, mittels Bildverarbeitungsmethoden die jeweils scharf abgebildeten Teile des Messobjekts zu erkennen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, die erkannten Teile des Messobjekts einer Wellenlänge zuzuordnen und so eine Tiefenkoordinate zu bestimmen. Dieses kann für alle Spektralkanäle gleichzeitig erfolgen. Allerdings kann der Farbsensor eine abhängig von der Anzahl der Spektralkanäle deutliche Unterabtastung des Bildraumes darstellen. Dieses kann noch verstärkt werden durch die technologischen Notwendigkeiten in der Herstellung von Filterarrays, die dazu führen können, dass Filterzellen beispielsweise 2x2 Pixeln des Farbsensors entsprechen müssen. Um das Auflösungsvermögen der Optik optimal zu nutzen, kann die Vorrichtung eingerichtet sein, um an mindestens zwei verschiedenen relativen Positionen des Messobjekts zu der Vorrichtung den spektralabhängigen Bildrauminhalt zu bestimmen. Beispielsweise kann ein Versatz des Messobjektes gegen das Objektiv verwendet werden, um an mindestens zwei relativen Abständen zwischen Messobjekt und Vorrichtung eine Vermessung des Messobjektes vorzunehmen. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, eine Vermessung des Messobjekts an einer Mehrzahl von relativen Positionen des Messobjekts zu der Vorrichtung durchzuführen und einen Bildstapel zu erzeugen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, den erzeugten Bildstapel auszuwerten. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, aus den Einzelbildern des Bildstapels, welche wie oben beschrieben eine geringe Auflösung aufweisen können, ein überaufgelöstes Gesamtbild zu erzeugen. Derartige Verfahren zur Bildverarbeitung sind dem Fachmann bekannt, beispielsweise aus der US 8 577 184 B2 . Unter einem „Gesamtbild“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein aus den Einzelbildern des Bildstapels erzeugtes, insbesondere zusammengesetztes, Bild verstanden werden. Unter einem „überaufgelösten“ Gesamtbild kann verstanden werden, dass das Gesamtbild eine höhere Auflösung aufweist als die Auflösung der Einzelbilder. Beispielsweise kann eine Bewegung des Messobjektes verwendet werden, welche bei einer Abarbeitung von verschiedenen Messaufgaben in einem Prüfplan mit einem optischen Koordinatenmessgerät durchgeführt wird. Verlagerungen innerhalb der entstehenden Bildstapel aus dem Koordinatenmessgerät können mit sehr großer Genauigkeit in 3D oder auch 6D bekannt sein, so dass eine Bestimmung des überaufgelösten Gesamtbildes mit großer Genauigkeit erfolgen kann. Die Vorrichtung kann eine höhere örtliche Auflösung und gleichzeitige Abdeckung des gesamten sichtbaren Spektralbereiches durch Verwendung von Bildverarbeitungsverfahren für so genannte Überauflösung und hyperspektrale Bilderfassung erreichen.
Die Vorrichtung weist mindestens zwei Messkanäle auf. Mindestens ein erster Messkanal weist den Farbsensor auf. Mindestens ein zweiter Messkanal weist eine monochromatische Abbildungsvorrichtung auf. Unter einem „Messkanal“ kann im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ein Strahlengang verstanden werden, in welchem mindestens eine optische Messung, insbesondere eine Abbildung, durchgeführt wird. Der erste und der zweite Messkanal können eingerichtet sein unabhängig voneinander eine optische Messung durchzuführen. Der erste Messkanal kann ein hyperspektral aber örtlich niedrig auflösender Strahlengang sein. Der zweite Messkanal kann ein schmalbandiger, insbesondere monochromatischer, hochauflösender Strahlengang sein. Beispielsweise kann ein Verhältnis der numerischen Aperturen der beiden Strahlengänge von fünf und größer sein. Die numerische Apertur des zweiten Messkanals kann von 0,1 bis 0,3 betragen. Die numerische Apertur des ersten Messkanals kann entsprechend bei 0.05 und niedriger liegen. Die monochromatische Abbildungsvorrichtung kann mindestens eine Kamera aufweisen. Der Farbsensor und/oder die monochromatische Abbildungsvorrichtung können eine Bildrate von größer gleich 60 Hz aufweisen. Bei üblichen Vorrichtungen und Verfahren kann bei einer Aufnahme von Bildsequenzen von unterschiedlichen Objektoberflächenbereichen für allgemeine Topografien unterschiedliche Abstände zwischen Objektoberfläche und Objektiv notwendig sein, da sonst keine scharfe Abbildung möglich ist, wenn die Tiefe der Objektebene größer als die Fokustiefe ist. Der erste Messkanal kann eingerichtet sein, einen Topografieinformation enthaltenden Überblick zu bestimmen. Eine Kombination eines solchen hyperspektralen Überblicksstrahlenganges mit einem hochauflösenden monochromatischen Strahlengang kann erlauben innerhalb von Bildsequenzen unterschiedlicher Objektausschnitte aus der Topografieinformation des jeweils vorangegangenen Bild die Zustellungskorrektur des Objektivs zu ermitteln, so dass das nachfolgende Bild ohne Fokussierungszyklus sofort scharf ist. Ein Wegfall der Notwendigkeit für Fokussierzyklen und eine damit kontinuierliche Messbewegung der Messmaschine relativ zum Messobjekt kann eine drastische Produktivitätssteigerung bedeuten.
In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten eines Messobjekts oder Teilen des Messobjekts vorgeschlagen. In dem Verfahren wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach einem der oben oder weiter unten beschriebenen Ausführungsformen verwendet. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

i) Erzeugen mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls mit mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung der Vorrichtung und Beleuchten des Messobjekts, wobei die Vorrichtung mindestens ein Objektiv mit einem chromatischen Längsfehler aufweist;
ii) Erfassen mindestens eines von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten Messlichtstrahls mit mindestens einem Farbsensor der Vorrichtung und Bestimmen mindestens eines spektralabhängigen Bildrauminhalts, wobei der Farbsensor in einer Bildebene des Objektivs angeordnet ist;
iii) Bestimmen mindestens einer Tiefeninformation aus dem spektralabhängigen Bildrauminhalt unter Verwendung einer Auswerteeinheit der Vorrichtung.

Hierbei können die Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden. In dem Verfahren wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten verwendet. Für Einzelheiten in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen vorteilhaft. Durch eine Verwendung eines Farbsensors kann eine spektrale Bilderfassung, insbesondere eine hyperspektrale Bilderfassung, erfolgen und so eine Erfassung von verschiedenen Objektebenen in einer Messung möglich sein. Durch die oben beschriebenen Bildverarbeitungsverfahren kann zudem eine Überauflösung erreicht werden.
Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm vorgeschlagen, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführt, insbesondere die Verfahrensschritte ii) bis iii).
Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger und/oder einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein.
Der Begriffe „computerlesbarer Datenträger“ und „computerlesbares Speichermedium“, wie sie hier verwendet werden, können sich insbesondere auf nicht-transitorische Datenspeicher beziehen, beispielsweise ein Hardware-Datenspeichermedium, auf welchem computer-ausführbare Instruktionen gespeichert sind. Der computerlesbare Datenträger oder das computerlesbare Speichermedium können insbesondere ein Speichermedium wie ein Random-Access Memory (RAM) und/oder ein Read-Only Memory (ROM) sein oder umfassen.
Außerdem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Datenträger vorgeschlagen, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits- und/oder Hauptspeicher eines Computers oder Computer-Netzwerkes das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführen kann.
Auch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird.
Dabei wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen, so zum Beispiel auf Papier oder einem computerlesbaren Datenträger, und kann insbesondere über ein Datenübertragungsnetz verteilt werden.
Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein moduliertes Datensignal vorgeschlagen, welches von einem Computersystem oder Computernetzwerk ausführbare Instruktionen zum Ausführen eines Verfahrens nach einer der beschriebenen Ausführungsformen enthält.
Im Hinblick auf die computer-implementierten Aspekte der Erfindung können einer, mehrere, insbesondere die Verfahrensschritte ii) bis iii), des Verfahrens gemäß einer oder mehreren der hier vorgeschlagenen Ausgestaltungen mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden.
Somit können, allgemein, jegliche der Verfahrensschritte, einschließlich der Bereitstellung und/oder Manipulation von Daten mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden. Allgemein können diese Schritte jegliche der Verfahrensschritte umfassen, ausgenommen der Schritte, welche manuelle Arbeit erfordern, beispielsweise das Bereitstellen von Proben und/oder bestimmte Aspekte der Durchführung tatsächlicher Messungen.
Zusammenfassend werden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, folgende Ausführungsformen vorgeschlagen:

Ausführungsform 1: Vorrichtung zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten eines Messobjekts oder Teilen des Messobjekts in einem Koordinatenmessgerät umfassend:
- - mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung, welche eingerichtet ist, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und das Messobjekt zu beleuchten;
- - mindestens ein Objektiv, wobei das Objektiv einen chromatischen Längsfehler aufweist;
- - mindestens einen Farbsensor, welcher in einer Bildebene des Objektivs angeordnet ist, wobei der Farbsensor eingerichtet ist, um einen von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten Messlichtstrahl zu erfassen und mindestens einen spektralabhängigen Bildrauminhalt zu bestimmen;
- - mindestens eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist, um aus dem spektralabhängigen Bildrauminhalt mindestens eine Tiefeninformation zu bestimmen.
Ausführungsform 2: Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der Farbsensor eine Mehrzahl von Spektralkanälen aufweist, wobei der Farbsensor mindestens vier Spektralkanäle, bevorzugt mindestens acht Spektralkanäle, besonders bevorzugt mindestens 25 Spektralkanäle, aufweist.
Ausführungsform 3: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Farbsensor mindestens einen Hyperspektralsensor und/oder mindestens einen RGB (Rot, Grün, Blau)-Sensor aufweist.
Ausführungsform 4: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Farbsensor eine Vielzahl von Pixeln für jeden Spektralkanal aufweist.
Ausführungsform 5: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet ist, das Messobjekt sequentiell oder gleichzeitig mit mindestens zwei Wellenlängen zu beleuchten.
Ausführungsform 6: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Beleuchtungsvorrichtung mindestens eine polychromatische Lichtquelle und/oder mindestens eine Weißlichtquelle und/oder mindestens eine breitbandige Lichtquelle aufweist.
Ausführungsform 7: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, um den spektralabhängigen Bildrauminhalt unter Verwendung mindestens eines Bildverarbeitungsverfahrens auszuwerten, wobei in dem Bildverarbeitungsverfahren mindestens ein Algorithmus verwendet wird, welcher eingerichtet ist, mindestens einer Bildkoordinate des spektralabhängigen Bildrauminhalts eine Tiefenkoordinate zuzuordnen.
Ausführungsform 8: Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, für die mindestens eine Bildkoordinate des spektralabhängigen Bildrauminhalts denjenigen Spektralkanal zu bestimmen, welcher eine maximale Lichtintensität aufweist, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, um dem bestimmten Spektralkanal eine Tiefenkoordinate zuzuordnen.
Ausführungsform 9: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Objektiv eingerichtet ist, um eine farb- und entfernungsabhängige Fokuslage des Beleuchtungslichtstrahls zu erzeugen.
Ausführungsform 10: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Objektiv eingerichtet ist, um verschieden weit vom Objektiv entfernte Messobjekte oder Teile des Messobjekts mit jeweils unterschiedlichen Farben in die Bildebene abzubilden.
Ausführungsform 11: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Objektiv bildseitig telezentrisch und/oder objektseitig telezentrisch ist.
Ausführungsform 12: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, um an mindestens zwei verschiedenen relativen Positionen des Messobjekts zu der Vorrichtung den spektralabhängigen Bildrauminhalt zu bestimmen.
Ausführungsform 13: Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Vorrichtung mindestens zwei Messkanäle aufweist, wobei mindestens ein erster Messkanal den Farbsensor aufweist, wobei mindestens ein zweiter Messkanal eine monochromatische Abbildungsvorrichtung aufweist.
Ausführungsform 14: Verfahren zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten eines Messobjekts oder Teilen des Messobjekts, wobei in dem Verfahren eine Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen verwendet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
1. i) Erzeugen mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls mit mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung der Vorrichtung und Beleuchten des Messobjekts, wobei die Vorrichtung mindestens ein Objektiv mit einem chromatischen Längsfehler aufweist;
2. ii) Erfassen mindestens eines von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten Messlichtstrahls mit mindestens einem Farbsensor der Vorrichtung und Bestimmen mindestens eines spektralabhängigen Bildrauminhalts, wobei der Farbsensor in einer Bildebene des Objektivs angeordnet ist;
3. iii) Bestimmen mindestens einer Tiefeninformation aus dem spektralabhängigen Bildrauminhalt unter Verwendung einer Auswerteeinheit der Vorrichtung.
Ausführungsform 15: Computerprogramm, welches bei Ablauf auf einem Computer oder Computernetzwerk das Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, insbesondere die Verfahrensschritte ii) bis iii), in einer seiner Ausgestaltungen ausführt.
Ausführungsform 16: Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, um das Verfahren nach Ausführungsform 13 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird.

Figurenliste
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten;
2A und 2B eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Objektivs der erfindungsgemäßen Vorrichtung und ein Simulationsergebnis für dieses Objektiv; und
3 eine weitere schematische Darstellung eines weitern Ausführungsbeispiels eines Objektivs der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt in einer hoch schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten eines Messobjekts 112 oder Teilen des Messobjekts 112 in einem hier nicht dargestellten Koordinatenmessgerät.
Beispielsweise kann das Messobjekt 112 ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus einem Prüfling, einem zu vermessenden Werkstück und einem zu vermessenden Bauteil, beispielsweise einem Kraftfahrzeug. Auch andere Messobjekte 112 sind jedoch denkbar. Insbesondere kann es sich bei dem Messobjekt 112 um ein flächiges Messobjekt handeln, beispielsweise mit mindestens einer ausgedehnten Oberfläche. Die Oberfläche kann zumindest teilweise reflektierend sein. Das Messobjekt 112 kann eine Mehrzahl von Oberflächen und/oder Teile aufweisen, welche in verschiedenen Tiefen und/oder Ebenen, beispielsweise entlang einer z-Koordinate oder longitudinalen Koordinate, angeordnet sein können.
Die Objektkoordinate kann mindestens eine x-, y- oder z-Koordinate des Messobjekts 112 sein. Die Vorrichtung 110 kann eine optische Achse 114 aufweisen. Zu diesem Zweck können ein oder mehrere Koordinatensysteme verwendet werden. Beispielsweise kann ein kartesisches Koordinatensystem 116 oder ein Kugelkoordinatensystem verwendet werden. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Die 3D Vermessung kann eine Bestimmung der z- Koordinate eines Bestimmungsorts auf der mindestens einer Oberfläche des Messobjekts 112 umfassen. Weiter kann zusätzlich eine Bestimmung der transversalen Koordinaten erfolgen.
Das Koordinatenmessgerät kann in Portal-, Stativ- oder Brückenbauweise ausgestaltet sein. Das Koordinatenmessgerät kann einen Messtisch zur Auflage des mindestens einen Messobjekts 112 aufweisen. Das Koordinatenmessgerät kann mindestens ein Portal aufweisen, welches mindestens eine erste vertikale Säule, mindestens eine zweite vertikale Säule und eine die erste vertikale Säule und die zweite vertikale Säule verbindende Traverse aufweist. Mindestens eine vertikale Säule ausgewählt aus der ersten und zweiten vertikalen Säule kann auf dem Messtisch in einer horizontalen Richtung beweglich gelagert sein. Die horizontale Richtung kann eine Richtung entlang einer y-Achse sein. Das Koordinatenmessgerät kann ein Koordinatensystem, beispielsweise ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem, aufweisen. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann beispielsweise durch einen Sensor des Koordinatenmessgeräts gegeben sein. Eine x-Achse kann senkrecht zur y-Achse, in einer Ebene der Auflagefläche des Messtischs verlaufen. Senkrecht zu der Ebene der Auflagefläche, in eine vertikale Richtung, kann sich eine z-Achse erstrecken. Die vertikalen Säulen können sich entlang der z-Achse erstrecken. Die Traverse kann sich entlang der x-Achse erstrecken. Das Koordinatenmessgerät kann mindestens einen Messschlitten aufweisen, welcher entlang der Traverse beweglich gelagert ist. Die Bewegung der Elemente des Koordinatenmessgeräts kann manuell und/oder automatisch betrieben und/oder eingestellt und/oder verstellt werden. Das Koordinatenmessgerät kann mindestens einen Antrieb aufweisen, beispielsweise mindestens einen Motor. Das Koordinatenmessgerät kann eine Steuerungseinheit aufweisen, welche eingerichtet ist, Verlagerungen von Sensorik gegen das zu vermessende Werkstück maschinisiert und automatisiert durchzuführen. Die Steuerungseinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur und/oder ein Bedienpult. Das Koordinatenmessgerät kann eingerichtet sein, um das Messobjekt, insbesondere eine Oberfläche des Werkstücks, durch Bewegen des Portals und/oder des Messschlittens in allen drei Raumrichtungen mit der Vorrichtung 110 abzutasten. Die Vorrichtung 110 kann beispielsweise mindestens einen Tastkopf umfassen. Die Vorrichtung zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten kann eingerichtet sein, mindestens ein Signal zu erzeugen, beispielsweise ein elektronisches Signal. Das Koordinatenmessgerät kann weiterhin mindestens eine Auswerteeinheit aufweisen, welche eingerichtet ist, das von der Vorrichtung 110 erzeugte Signal auszuwerten und um aus dem Signal eine 3D Information über einen Messpunkt an der Oberfläche des Messobjekts 112 zu erzeugen.
Die Vorrichtung 110 umfasst mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung 118, welche eingerichtet ist, den mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl 120 zu erzeugen und das Messobjekt 112 zu beleuchten. Die Beleuchtungsvorrichtung 118 kann eingerichtet sein, um das Messobjekt 112 sequentiell oder gleichzeitig mit mindestens zwei Wellenlängen zu beleuchten. Die Beleuchtungsvorrichtung 118 kann mindestens eine Lichtquelle 122 aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung 118 kann mindestens eine monochromatische Lichtquelle aufweisen, welche eingerichtet ist, den Beleuchtungslichtstrahl 120 mit einer Wellenlänge zu generieren. Die Beleuchtungsvorrichtung 118 kann eine Mehrzahl von monochromatischen Lichtquellen aufweisen, wobei jede der Lichtquellen 122 eingerichtet ist, Licht in einer anderen Wellenlänge zu erzeugen. Die monochromatischen Lichtquellen können eingerichtet sein, nacheinander oder gleichzeitig das Messobjekt 112 zu beleuchten. Die Beleuchtungsvorrichtung 118 kann mindestens eine polychromatische Lichtquelle und/oder mindestens eine Weißlichtquelle und/oder mindestens eine spektral breitbandige Lichtquelle aufweisen. Die Lichtquelle 122 kann eine breite und gleichmäßig verteilte spektrale Dichte aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung 118 kann eingerichtet sein, das Messobjekt 112 oder Teile des Messobjekts 112, insbesondere einen Punkt oder eine Fläche auf einer Oberfläche des Messobjekts 112, zu beleuchten. Die Beleuchtungsvorrichtung 118 kann weiterhin mindestens ein weiteres optisches Element, insbesondere eine Linse, aufweisen, welches eingerichtet ist, den von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahl zu fokussieren. Die Vorrichtung 110 kann mindestens einen Strahlteiler 124 aufweisen, welcher eingerichtet ist, den Beleuchtungslichtstrahl 120 auf das Messobjekt 112 zu lenken.
Die Vorrichtung 110 umfasst mindestens ein Objektiv 126. Das Objektiv 126 kann eine Mehrzahl von Linsenelementen 128 und/oder Linsengruppen 130 aufweisen. Ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Objektivs 126 ist in 2 dargestellt. Das Objektiv 126 kann insbesondere als Chromat ausgestaltet sein. Das Objektiv kann chromatisch aberrative Eigenschaften aufweisen. Das Objektiv 126 weist einen chromatischen Längsfehler, auch Farblängsfehler genannt, auf. Das Objektiv 126 kann eingerichtet sein, um eine farb- und entfernungsabhängige Fokuslage des Beleuchtungslichtstrahls 120 zu erzeugen. In 1 sind zwei verschiedene Objektebenen (OE) dargestellt, wobei OEn eine Objektebene kennzeichnet, welche näher zum Objektiv 126 ist, und OEf eine weiter von dem Objektiv 126 entfernte Objektebene kennzeichnet. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel geben die Objektebenen OEn und OEf zudem den Tiefenschärfebereich des Objektivs 126 an. Die Objektebene OEn kennzeichnet hierbei eine dem Objektiv 126 nächste Fokusebene, beispielsweise eines blauen Farbanteils des Beleuchtungslichtstrahls 120, und die Objektebene OEf kennzeichnet eine dem Objektiv 126 weit entfernteste Fokusebene, beispielsweise eines roten Farbanteils des Beleuchtungslichtstrahls 120. Insbesondere kann das Objektiv 126 eingerichtet sein, um verschieden weit vom Objektiv 126 entfernte Messobjekte 112 oder Teile des Messobjekts 112 mit jeweils unterschiedlichen Farben in eine Bildebene BE scharf abzubilden. Das Objektiv 126 kann bildseitig telezentrisch und/oder objektseitig telezentrisch sein. Die Vorrichtung 110, insbesondere das Objektiv 126, kann eingerichtet sein, um eine erweiterte Tiefenschärfe (EDOF) zu erzeugen.
2A zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines beidseitig telezentrischen Objektivs 126 jeweils für axiale Strahlen, achsnahe Strahlen und für randnahe Strahlen. Das Objektiv 126 kann eine Mehrzahl von Linsenelementen 128 und/oder Linsengruppen 130 aufweisen, welche entlang der optischen Achse 114 angeordnet sind. Beispielsweise kann das Objektiv eine Mehrzahl von konvexen und/oder konkaven Linsen aufweisen. Das Objektiv 126 weist einen chromatischen Längsfehler auf, welcher in 2B dargestellt ist. 2B zeigt ein Simulationsergebnis für dieses Objektiv 126, nämlich die Fokuslage Δf in mm in der Objektebene als Funktion der Wellenlänge λ für jeweils für axiale Strahlen, achsnahe Strahlen und für randnahe Strahlen. 2B zeigt eine Wellenlängenabhängige Fokuslage.
Die Vorrichtung 110 umfasst, wie in 1 dargestellt, mindestens einen Farbsensor 132, welcher in der Bildebene BE des Objektivs 126 angeordnet ist. Der Farbsensor 132 kann eingerichtet sein zu einer selektiven Erfassung und Bestimmung eines Spektralbereiches, insbesondere des sichtbaren Spektralbereichs. Der Farbsensor 132 kann eine Mehrzahl von Spektralkanälen aufweisen. Die Spektralkanäle können über einen spektralen Bereich, beispielsweise vom sichtbaren bis zum nahen Infrarot, verteilt sein. Die Spektralkanäle können beispielsweise in einem Spektralbereich von 400 nm bis 1000 nm verteilt sein. Die Spektralkanäle können insbesondere äquidistant in dem Spektralbereich verteilt sein. Beispielsweise kann der Farbsensor 132 ein RGB-Sensor sein, welcher drei Spektralkanäle aufweist, nämlich rot, grün und blau. Der Farbsensor 132 kann mindestens einen Hyperspektralsensor aufweisen. Der Farbsensor 132 kann mindestens vier Spektralkanäle, bevorzugt mindestens acht Spektralkanäle, besonders bevorzugt mindestens 25 Spektralkanäle, aufweisen. Je mehr Kanäle der Farbsensor 132 aufweist, umso höher ist die spektrale Auflösung. Ein jeweiliger Spektralkanal kann eine bestimmte Bandbreite, insbesondere eine Halbwertsbreite (FWHM) aufweisen. Beispielsweise kann die Bandbreite kleiner als 20 nm, bevorzugt kleiner als 10 nm, besonders bevorzugt kleiner 5 nm im sichtbaren Spektralbereich bis zum nahen Infrarot sein. Der Farbsensor 132 kann ein pixelierter Sensor sein. Der Farbsensor 132 kann beispielsweise ein Sensorelement umfassend eine Matrix von Pixeln aufweisen, beispielsweise eine quadratische oder rechteckige oder kreisförmige Matrix. Auch andere Formen sind denkbar. Der Farbsensor 132 kann eine Vielzahl von Pixeln für jeden Spektralkanal aufweisen. Beispielsweise kann der Farbsensor 132 einen CMOS- oder CCD-Sensor aufweisen. Beispielsweise kann der Farbsensor 132 acht Spektralkanäle und 256 x 256 Pixel pro Spektralkanal aufweisen. Beispielsweise kann der Farbsensor 132 vier Spektralkanäle und 512 x 512 Pixel pro Spektralkanal aufweisen. Auch andere Anzahlen sind denkbar. Beispielsweise kann der Farbsensor 132 als ein Hyperspektralsensor erhältlich unter der Bezeichnung msCAM™ Camera der Firma Spectral Devices Inc. ausgestaltet sein, beispielsweise als eine „8-band NIR camera“ oder als eine „4-band agriculture camera“.
Der Farbsensor 132 ist eingerichtet, um einen von dem Messobjekt 112 in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl 120 erzeugten Messlichtstrahl 134 zu erfassen und mindestens einen spektralabhängigen Bildrauminhalt zu bestimmen. Der Farbsensor 132 kann eingerichtet sein, um die von dem Messobjekt 112 erzeugten Messlichtstrahlen 134 zu erfassen und ein Bild zu erzeugen, wobei jedes der Bildpixel, auch Bildkoordinate genannt, eine aufgenommene Lichtintensität für die jeweiligen Spektralkanäle aufweist.
Die Vorrichtung 110 umfasst mindestens eine Auswerteeinheit 136. Die Auswerteeinheit 136 kann eingerichtet sein, um von dem Farbsensor 132 erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem Farbsensor 132 und der Auswerteeinheit 136 vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit 136 kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht-flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um den Farbsensor 132 anzusteuern. Die Auswerteeinheit 136 kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Auswerteeinheit 136 kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Auswerteeinheit 136 kann ganz oder teilweise in den Farbsensor 132 integriert sein. Der Farbsensor 132 kann beispielsweise direkt oder indirekt mit der Auswerteeinheit 136 verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteeinheit 136 jedoch auch ganz oder teilweise am Ort des Farbsensors 132 angeordnet sein, beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers, und/oder kann ganz oder teilweise in den Farbsensor 132 integriert sein.
Die Auswerteeinheit 136 ist eingerichtet, um aus dem spektralabhängigen Bildrauminhalt mindestens eine Tiefeninformation zu bestimmen. Die Auswerteeinheit 136 kann eingerichtet sein, um den spektralabhängigen Bildrauminhalt unter Verwendung mindestens eines Bildverarbeitungsverfahrens auszuwerten. In dem Bildverarbeitungsverfahren kann mindestens ein Algorithmus verwendet werden, welcher eingerichtet ist, mindestens einer Bildkoordinate des spektralabhängigen Bildrauminhalts eine Tiefenkoordinate zuzuordnen. Die Auswerteeinheit 136 kann eingerichtet sein, für jedes Pixel eine spektrale Intensitätsverteilung der Messlichtstrahlen 134 zu bestimmen und aus der jeweiligen spektralen Intensitätsverteilung eine longitudinale Koordinate des jeweiligen Bestimmungsortes des Messobjekts 112 zu bestimmen. Die Auswerteeinheit 136 kann, insbesondere bei bekannten Eigenschaften des Objektivs 126, eingerichtet sein, um dem bestimmten Spektralkanal eine Tiefenkoordinate zuzuordnen. Die Auswerteeinheit 136 kann eingerichtet sein, für die mindestens eine Bildkoordinate des spektralabhängigen Bildrauminhalts denjenigen Spektralkanal zu bestimmen, welcher eine maximale Lichtintensität aufweist. Die Auswerteeinheit 136 kann beispielsweise eingerichtet sein, um ein Maximum der jeweiligen spektralen Intensitätsverteilung zu bestimmen, einer Wellenlänge zuzuordnen und aus der zugeordneten Wellenlänge die longitudinale Koordinate des Bestimmungsortes des Messobjekts 112 zu bestimmen. Ergänzend oder alternativ zum Suche des spektralen Intensitätsmaximums kann jedoch auch eine spektralabhängige Analyse des Fourierinhaltes des Bildraumes erfolgen, um die Objektraum-Höheninformation für den entsprechend analysierten Bildraumbereich zu extrahieren.
Bei einer gleichzeitigen Beleuchtung des Messobjekts 112 mit einer Mehrzahl von Beleuchtungslichtstrahlen 120 kann es ohne Farbfilterung vor dem Farbsensor 132 zu einer Überlagerung der verschiedenen Bilder der jeweiligen Wellenlänge und zu einer unscharfen Abbildung kommen. Dieses kann mit einer sequentiellen Schaltung der Lichtquellen 122 und anschließender Verrechnung der Bilder verhindert werden.
Bei einer Beleuchtung mit weißem Licht, also mit einem kontinuierlichen Spektrum, werden die entfernungsabhängig scharf abgebildeten Teile des Messobjekts 112 aus dem zum jeweiligen Spektralkanal gehörenden Tiefenschärfebereich mittels des Farbsensors 132 scharf abgebildet. Die Auswerteeinheit 136 kann eingerichtet sein, mittels Bildverarbeitungsmethoden die jeweils scharf abgebildeten Teile des Messobjekts 112 zu erkennen. Die Auswerteeinheit 136 kann eingerichtet sein, die erkannten Teile des Messobjekts 112 einer Wellenlänge zuzuordnen und so eine Tiefenkoordinate zu bestimmen. Dieses kann für alle Spektralkanäle gleichzeitig erfolgen. Allerdings kann der Farbsensor 132 eine abhängig von der Anzahl der Spektralkanäle deutliche Unterabtastung des Bildraumes darstellen. Dieses kann noch verstärkt werden durch die technologischen Notwendigkeiten in der Herstellung von Filterarrays, die dazu führen können, dass Filterzellen beispielsweise 2x2 Pixeln des Farbsensors 132 entsprechen müssen. Um das Auflösungsvermögen der Optik optimal zu nutzen, kann die Vorrichtung 110 eingerichtet sein, um an mindestens zwei verschiedenen relativen Positionen des Messobjekts 112 zu der Vorrichtung 110 den spektralabhängigen Bildrauminhalt zu bestimmen. Beispielsweise kann ein Versatz des Messobjektes 112 gegen das Objektiv 126 verwendet werden, um an mindestens zwei relativen Abständen zwischen Messobjekt 112 und Vorrichtung 110 eine Vermessung des Messobjektes 112 vorzunehmen. Die Vorrichtung 110 kann eingerichtet sein, eine Vermessung des Messobjekts 112 an einer Mehrzahl von relativen Positionen des Messobjekts 112 zu der Vorrichtung durchzuführen und einen Bildstapel zu erzeugen. Die Auswerteeinheit 136 kann eingerichtet sein, den erzeugten Bildstapel auszuwerten. Die Auswerteeinheit 136 kann eingerichtet sein, aus den Einzelbildern des Bildstapels, welche, wie oben beschrieben, eine geringe Auflösung aufweisen können, ein überaufgelöstes Gesamtbild zu erzeugen. Derartige Verfahren zur Bildverarbeitung sind dem Fachmann bekannt, beispielsweise aus der US 8 577 184 B2 . Beispielsweise kann eine Bewegung des Messobjektes 112 verwendet werden, welche bei einer Abarbeitung von verschiedenen Messaufgaben in einem Prüfplan mit einem optischen Koordinatenmessgerät durchgeführt wird. Verlagerungen innerhalb der entstehenden Bildstapel aus dem Koordinatenmessgerät können mit sehr großer Genauigkeit in 3D oder auch 6D bekannt sein, so dass eine Bestimmung des überaufgelösten Gesamtbildes mit großer Genauigkeit erfolgen kann. Die Vorrichtung 110 kann eine höhere örtliche Auflösung und gleichzeitige Abdeckung des gesamten sichtbaren Spektralbereiches durch Verwendung von Bildverarbeitungsverfahren für so genannte Überauflösung und hyperspektrale Bilderfassung erreichen.
3 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110. Die Vorrichtung 110 weist mindestens zwei Messkanäle 138 auf. Mindestens ein erster Messkanal 140 weist den Farbsensor 132 auf. Hinsichtlich der Ausgestaltung des ersten Messkanals 140 kann auf die Beschreibung zu 1 und 2 verwiesen werden. Mindestens ein zweiter Messkanal 142 weist eine monochromatische Abbildungsvorrichtung 144 auf. Der erste Messkanal 140 und der zweite Messkanal 142 können eingerichtet sein unabhängig voneinander eine optische Messung durchzuführen, insbesondere das Messobjekt 112 oder einen Teil des Messobjekts 112 abzubilden. Der erste Messkanal 140 kann ein hyperspektral aber örtlich niedrig auflösender Strahlengang sein. Der zweite Messkanal 142 kann ein schmalbandiger, insbesondere monochromatischer, hochauflösender Strahlengang sein. Beispielsweise kann ein Verhältnis der numerischen Aperturen der beiden Strahlengänge von fünf und größer sein. Die numerische Apertur des zweiten Messkanals 142 kann von 0,1 bis 0,3 betragen. Die numerische Apertur des ersten Messkanals 140 kann entsprechend bei 0.05 und niedriger liegen. Die monochromatische Abbildungsvorrichtung 144 kann mindestens eine Kamera aufweisen. Der Farbsensor 132 und/oder die monochromatische Abbildungsvorrichtung 144 können eine Bildrate von größer gleich 60 Hz aufweisen. Die Vorrichtung 110 kann den Strahlteiler 124 aufweisen, welcher in dieser Ausführungsform eingerichtet ist einen von dem Messobjekt 112 ausgehenden Lichtstrahl in den ersten Messkanal 140 und den zweiten Messkanal 142 aufzuteilen. Weiter kann mindestens eine Strahlumlenkvorrichtung 146 in dem ersten Messkanal 140 und/oder dem zweiten Messkanal 142 vorgesehen sein, beispielsweise ein oder mehrere Spiegel, welche eingerichtet sind die Strahlen auf den Farbsensor 132 und/oder die Abbildungsvorrichtung 144 zu lenken. Bei üblichen Vorrichtungen und Verfahren kann bei einer Aufnahme von Bildsequenzen von unterschiedlichen Objektoberflächenbereichen für allgemeine Topografien unterschiedliche Abstände zwischen Objektoberfläche und Objektiv notwendig sein, da sonst keine scharfe Abbildung möglich ist, wenn die Tiefe der Objektebene größer als die Fokustiefe ist. Der erste Messkanal 140 kann eingerichtet sein, einen Topografieinformation enthaltenden Überblick zu bestimmen. Eine Kombination eines solchen hyperspektralen Überblicksstrahlenganges mit einem hochauflösenden monochromatischen Strahlengang kann erlauben innerhalb von Bildsequenzen unterschiedlicher Objektausschnitte aus der Topografieinformation des jeweils vorangegangenen Bild die Zustellungskorrektur des Objektivs 126 zu ermitteln, so dass das nachfolgende Bild ohne Fokussierungszyklus sofort scharf ist. Ein Wegfall der Notwendigkeit für Fokussierzyklen und eine damit kontinuierliche Messbewegung der Messmaschine relativ zum Messobjekt 112 kann eine drastische Produktivitätssteigerung bedeuten.
Bezugszeichenliste

110: Vorrichtung
112: Messobjekt
114: optische Achse
116: Koordinatensystem
118: Beleuchtungsvorrichtung
120: Beleuchtungslichtstrahl
122: Lichtquelle
124: Strahlteiler
126: Objektiv
128: Linsenelementen
130: Linsengruppe
132: Farbsensor
134: Messlichtstrahl
136: Auswerteeinheit
138: Messkanal
140: Erster Messkanal
142: Zweiter Messkanal
144: Abbildungsvorrichtung
146: Strahlumlenkvorrichtung
OE: Objektebene
BE: Bildebene

Claims

Vorrichtung (110) zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten eines Messobjekts (112) oder Teilen des Messobjekts (112) in einem Koordinatenmessgerät umfassend: - mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung (118), welche eingerichtet ist, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl (120) zu erzeugen und das Messobjekt (112) zu beleuchten; - mindestens ein Objektiv (126), wobei das Objektiv (126) einen chromatischen Längsfehler aufweist; - mindestens einen Farbsensor (132), welcher in einer Bildebene des Objektivs (126) angeordnet ist, wobei der Farbsensor (132) eingerichtet ist, um einen von dem Messobjekt (112) in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl (120) erzeugten Messlichtstrahl (134) zu erfassen und mindestens einen spektralabhängigen Bildrauminhalt zu bestimmen, - mindestens zwei Strahlengänge, wobei mindestens ein erster Strahlengang den Farbsensor (132) aufweist, wobei mindestens ein zweiter Strahlengang eine monochromatische Abbildungsvorrichtung (144) aufweist; - mindestens eine Auswerteeinheit (136), welche eingerichtet ist, um aus dem spektralabhängigen Bildrauminhalt mindestens eine Tiefeninformation zu bestimmen.
Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Farbsensor (132) eine Mehrzahl von Spektralkanälen aufweist, wobei der Farbsensor (132) mindestens vier Spektralkanäle, bevorzugt mindestens acht Spektralkanäle, besonders bevorzugt mindestens 25 Spektralkanäle, aufweist.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Farbsensor (132) mindestens einen Hyperspektralsensor und/oder mindestens einen RGB (Rot, Grün, Blau)-Sensor aufweist.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (136) eingerichtet ist, um den spektralabhängigen Bildrauminhalt unter Verwendung mindestens eines Bildverarbeitungsverfahrens auszuwerten, wobei in dem Bildverarbeitungsverfahren mindestens ein Algorithmus verwendet wird, welcher eingerichtet ist, mindestens einer Bildkoordinate des spektralabhängigen Bildrauminhalts eine Tiefenkoordinate zuzuordnen.
Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auswerteeinheit (136) eingerichtet ist, für die mindestens eine Bildkoordinate des spektralabhängigen Bildrauminhalts denjenigen Spektralkanal zu bestimmen, welcher eine maximale Lichtintensität aufweist, wobei die Auswerteeinheit (136) eingerichtet ist, um dem bestimmten Spektralkanal eine Tiefenkoordinate zuzuordnen.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (110) eingerichtet ist, um an mindestens zwei verschiedenen relativen Positionen des Messobjekts (112) zu der Vorrichtung (110) den spektralabhängigen Bildrauminhalt zu bestimmen.
Verfahren zur 3D Vermessung von Objektkoordinaten eines Messobjekts (112) oder Teilen des Messobjekts (112), wobei in dem Verfahren eine Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: i) Erzeugen mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls (120) mit der mindestens einen Beleuchtungsvorrichtung (118) und Beleuchten des Messobjekts (112), wobei die Vorrichtung (110) das mindestens eine Objektiv (126) mit einem chromatischen Längsfehler aufweist; ii) Erfassen mindestens eines von dem Messobjekt (112) in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl (120) erzeugten Messlichtstrahls (134) mit dem mindestens einen Farbsensor (132) und Bestimmen mindestens eines spektralabhängigen Bildrauminhalts, wobei der Farbsensor (132) in einer Bildebene des Objektivs (126) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung (110) die mindestens zwei Strahlengänge aufweist, wobei der mindestens eine erste Strahlengang den Farbsensor (132) aufweist; iii) Abbilden des mindestens einen Messobjekts (112) mit der monochromatischen Abbildungsvorrichtung (144), wobei der mindestens eine zweite Strahlengang die monochromatische Abbildungsvorrichtung (144) aufweist; iv) Bestimmen mindestens einer Tiefeninformation aus dem spektralabhängigen Bildrauminhalt unter Verwendung der Auswerteeinheit (136).
Computerprogramm, welches bei Ablauf auf einer Steuerungseinheit eines Koordinatenmessgeräts das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, insbesondere die Verfahrensschritte ii) bis iv), in einer seiner Ausgestaltungen ausführt.
Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, um das Verfahren nach Anspruch 7 durchzuführen, wenn das Programm auf einer Steuerungseinheit eines Koordinatenmessgeräts ausgeführt wird.