DE102020130442A1 - Calibration device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einmessvorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung der jeweiligen Lage von Komponenten (308, 309, 311) eines Computertomografen (300) zueinander, wobei die jeweilige Lage zumindest die jeweiligen Relativpositionen der Komponenten (308, 309, 311) zueinander umfasst, und wobei für die Bestimmung der jeweiligen Lage zumindest ein laserinterferometrischer Aufbau (313-316, 333-336) im bzw. am Computertomografen (300) angeordnet ist.The invention relates to a calibration device and a method for determining the respective position of components (308, 309, 311) of a computer tomograph (300) to one another, the respective position including at least the respective relative positions of the components (308, 309, 311) to one another , and wherein at least one laser interferometric structure (313-316, 333-336) is arranged in or on the computer tomograph (300) for determining the respective position.
Description
Für die genaue Messung mit einem Computertomografen, insbesondere für die genaue geometrische Messung dimensioneller Merkmale an Werkstücken mit einem Computertomografen ist die exakte Kenntnis der Anordnung der Komponenten Strahlungsquelle (Quelle), Strahlungsdetektor (Detektor) und Drehtisch zur Aufnahme und Drehung des zu untersuchenden Werkstücks in Bezug auf deren Lage (Position und Winkellage) relativ zueinander notwendig. Die Geometrie wird beispielsweise durch sogenannte SOUV-Vektoren beschrieben, die bei der Rekonstruktion der aufgenommenen Durchstrahlungsbilder berücksichtigt werden, wobei auch jedem Durchstrahlungsbild separate SOUV-Vektoren zugeordnet werden können, beispielsweise, wenn sich die Geometrie aufgrund erkannter Drifterscheinungen während der Aufnahme der mehreren Durchstrahlungsbilder ändert. Die Geometrie umfasst unter anderem den Abbildungsmaßstab (bzw. die Vergrößerung) der Abbildung als einen wichtigen Parameter der Messung, der sich ergibt auch dem Verhältnis FDD (focus to detector distance) zu FOD (focus to object distance), also der Lage des Werkstücks (und damit der Drehachse des Drehtischs) zwischen Quelle und Detektor, genauer zwischen dem die Messstrahlung abgebenden Brennfleck (Fokus) der Quelle und dem Detektor. Für möglichst hohe Flexibilität sind entsprechende Geräte mit Bewegungsachsen ausgerüstet, um unterschiedliche Konfigurationen je nach Bedarf einzustellen, wie beispielsweise unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe, unterschiedliche Kegelwinkel der vom Detektor erfassten Messstrahlung der Quelle (Abstand Quelle zu Detektor) oder das bereichsweise erfassen eines oder mehrerer Werkstückdetails. Hierzu werden die Komponenten zueinander bewegt. Für genaue Messungen müssen diese Bewegungen genau bekannt sein, um die nach Abschluß der Bewegung vorliegende Geometrie genau zu kennen. Daher werden hierfür Messachsen eingesetzt, deren Bewegungen und Bewegungen zueinander eingemessen werden müssen.For the exact measurement with a computer tomograph, in particular for the exact geometric measurement of dimensional features on workpieces with a computer tomograph, the exact knowledge of the arrangement of the components radiation source (source), radiation detector (detector) and turntable for receiving and rotating the workpiece to be examined is related on their position (position and angular position) relative to each other. The geometry is described, for example, by so-called SOUV vectors, which are taken into account in the reconstruction of the radiographic images recorded, whereby separate SOUV vectors can also be assigned to each radiographic image, for example if the geometry changes due to recognized drift phenomena during the recording of the multiple radiographic images. The geometry includes, among other things, the image scale (or the magnification) of the image as an important parameter of the measurement, which also results from the ratio FDD (focus to detector distance) to FOD (focus to object distance), i.e. the position of the workpiece ( and thus the axis of rotation of the turntable) between the source and detector, more precisely between the focal point (focus) of the source emitting the measurement radiation and the detector. For the highest possible flexibility, the corresponding devices are equipped with movement axes in order to set different configurations as required, such as different imaging scales, different cone angles of the measurement radiation from the source detected by the detector (distance from source to detector) or the detection of one or more workpiece details in areas. For this purpose, the components are moved towards one another. For exact measurements, these movements must be known exactly in order to know exactly the geometry that is present after the movement has been completed. Therefore, measuring axes are used for this purpose, the movements and movements of which must be measured in relation to one another.
Zur Bestimmung der Geometrie eines Computertomografen werden bislang weitestgehend indirekte Verfahren eingesetzt. Zur Bestimmung des Abbildungsmaßstabs wird beispielsweise ein Einmessobjekt durchstrahlt und die Abbildung auf dem Detektor ins Verhältnis gesetzt zu den bekannten Abmessungen des Einmessobjektes oder eine Verschiebung des Einmessobjektes auf dem Detektor zu einer bekannten Verschiebung des Einmessobjektes ins Verhältnis gesetzt. Die
Bei den so vorliegenden Einmessmodellen werden insbesondere der Winkellagen der Komponenten nicht vollständig berücksichtigt. Es geht zumeist nur die eine beim Einmessen vorliegende Winkellage in die Einmessdaten ein, ohne dass die Winkel selbst erfasst und sich lokal ändernde Winkel im Einmessmodell berücksichtigt werden. Sich darauf ergebende Abweichungen sind kaum relevant, wenn das Messfeld des Sensors klein ist. Bei großen Detektoren, wie Bildverarbeitungssystemen mit großen Bildfeldern und Computertomografen ergeben sich jedoch signifikante Abweichungen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sollen diese Winkellagen, also Verdrehungen, der Komponenten im Einmessmodell berücksichtigt werden.In the calibration models available in this way, in particular the angular positions of the components are not fully taken into account. In most cases, only the one angular position present during the calibration is included in the calibration data, without the angles themselves being recorded and locally changing angles being taken into account in the calibration model. The resulting deviations are hardly relevant if the measuring field of the sensor is small. In the case of large detectors, such as image processing systems with large image fields and computer tomographs, however, there are significant deviations. In the context of the present invention, these angular positions, that is to say rotations, of the components are to be taken into account in the calibration model.
Des Weiteren sind diverse Verfahren zum Einmessen von Messachsen, also zur direkten Bestimmung der Abweichungen der Messachsen von Koordinatenmessgeräten (auch als geometrische Fehler bezeichnet, wie Teilungsfehler, Geradheit, Rechtwinkligkeit usw.) bekannt. Hierbei handelt es sich um Geräte mit taktilen oder optischen Sensoren, bei denen das Werkstück und der Sensor in zwei oder drei Raumrichtungen relativ zueinander bewegt werden. Je nach Bauart sind hierzu Messachen vorgesehen, die nur das Werkstück oder nur den Sensor in den zwei oder drei Raumrichtungen bewegen, oder der Sensor wird in einer oder zwei und das Werkstück in den verbleibenden Raumrichtungen bewegt. Der Sensor ist dazu meist an einer sogenannten Pinole befestigt und das Werkstück ruht auf einem Messtisch. Beide gehen von einer gemeinsamen feststehenden Basis aus, je nach Anordnung der Messachsen fest oder eben beweglich.Furthermore, various methods for calibrating measuring axes, i.e. for directly determining the deviations of the measuring axes from coordinate measuring machines (also referred to as geometric errors, such as pitch errors, straightness, squareness, etc.) are known. These are devices with tactile or optical sensors in which the workpiece and the sensor are moved relative to one another in two or three spatial directions. Depending on the design, measuring devices are provided for this purpose, which move only the workpiece or only the sensor in two or three spatial directions, or the sensor is moved in one or two directions and the workpiece in the remaining spatial directions. The sensor is usually attached to a so-called quill and the workpiece rests on a measuring table. Both start from a common, fixed base, depending on the arrangement of the measuring axes, fixed or movable.
Für die Bestimmung der geometrischen Fehler eines vorgenannten Koordinatenmessgerätes sieht die
Die
Die
Eine weitere alternative Lösung zeigt die
Ein genau umgekehrtes Prinzip beschreibt die
Die Offenbarung der zuvor genannten Verfahren und Anordnungen nach dem Stand der Technik ist als Teil der folgenden erfinderischen Idee aufzufassen. Diese Verfahren und Vorrichtungen haben jedoch alle folgende Einschränkung gemeinsam. Er werden jeweils immer nur zwei Komponenten zueinander bewegt, nämlich das zu messende Werkstück und der zur Erfassung des Werkstücks eingesetzte Sensor bzw. die Pinole, an der er befestigt ist. Für die Bestimmung der Geometrie eines Computertomografen sind jedoch stets die Abweichungen bei der Bewegung (Teilung, Verkippungen, Geradheit, Rechtwinkligkeit usw.) von drei Komponenten (Quelle, Detektor und Drehtisch) relativ zueinander notwendig. Eine besondere Herausforderung besteht auch darin, dass eine der Komponenten auf der einen und eine auf der anderen Seite des Werkstücks (bzw. Drehtischs) angeordnet ist. Die Quelle sendet Strahlung aus, die der Detektor empfängt. Neben der Lage von Quelle und Detektor zueinander und zum Werkstück sind auch die Winkellagen zu beachten, die unbeachtet zu Abbildungsfehlern führen würden. Diese Abweichungen sind in klassischen Koordinatenmessgeräten in der Rechtwinkligkeit enthalten, müssen im Fall eine Computertomografen aber separat erfasst und korrigiert werden. Die korrekte Erfassung des Abbildungsmaßstabes muss für unterschiedliche Konfigurationen, insbesondere unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe erfolgen.The disclosure of the aforementioned methods and arrangements according to the prior art is to be understood as part of the following inventive idea. However, these methods and devices all have the following limitation in common. Only two components are moved towards each other, namely the workpiece to be measured and the sensor used to detect the workpiece or the quill to which it is attached. To determine the geometry of a computer tomograph, however, the deviations in the movement (pitch, tilt, straightness, squareness, etc.) of three components (source, detector and turntable) relative to one another are always necessary. A particular challenge is that one of the components is arranged on one side and one on the other side of the workpiece (or rotary table). The source emits radiation that the detector receives. In addition to the position of the source and detector in relation to one another and in relation to the workpiece, the angular positions must also be observed, which would lead to imaging errors if ignored. These deviations are contained in the rectangularity in classic coordinate measuring machines, but must be recorded and corrected separately in the case of a computer tomograph. The correct detection of the imaging scale must be carried out for different configurations, in particular for different imaging scales.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die Geometrie eines Computertomografen (CT-Geometrie) genau, schnell und kostengünstig zu bestimmen, insbesondere für mehrere Konfigurationen, also Positionen der Komponenten Quelle, Detektor und Drehtisch zueinander, insbesondere Abbildungsmaßstäbe, Kegelwinkel der vom Detektor erfassten Messstrahlung der Quelle (Abstand Quelle zu Detektor) und/oder notwendigen Positionen für das bereichsweise Erfassen eines oder mehrerer Werkstückdetails. Vorteilhaft soll das Einmessen der für die Positionierung vorgesehenen Messachsen vorzugsweise nicht vor jeder computertomografischen Messungen eines Werkstücks erfolgen, sondern beispielsweise nur einmalig bei der Inbetriebnahme des Computertomografen oder in festgelegten Abständen, beispielsweise nach einer bestimmten Zeit oder Anzahl von Messungen. Die hierfür benötigten Geräte sollen anschließend für weitere Geräte bzw. andere Zwecke verwendbar sein, um Kosten zu sparen. Einrichtzeit und Einmesszeit sollen dadurch ebenso verringert werden.A further object of the present invention is therefore to determine the geometry of a computer tomograph (CT geometry) precisely, quickly and inexpensively, in particular for several configurations, i.e. positions of the components source, detector and turntable relative to one another, in particular imaging scales, cone angles of the detector detected measuring radiation of the source (distance source to detector) and / or necessary positions for the area-by-area detection of one or more workpiece details. The measuring axes provided for positioning should advantageously not be measured before each computed tomographic measurement of a workpiece, but for example only once when the computed tomograph is started up or at fixed intervals, for example after a certain time or number of measurements. The devices required for this should then be usable for other devices or other purposes in order to save costs. This should also reduce the set-up time and the calibration time.
Zur Lösung sieht die Erfindung vor, dass die Bestimmung der CT-Geometrie eines Computertomografen durch den Einsatz zumindest eines laserinterferometrischen Aufbaus im bzw. am Computertomografen angeordnet, erfolgt, wobei die jeweiligen Lagen der Komponenten Quelle, Detektor und Drehtisch zu einer Basis und/oder zueinander erfasst werden. Bevorzugt wird die CT-Geometrie für eine oder mehrere Konfigurationen, insbesondere Abbildungsmaßstäbe erfasst. Vorzugsweise wird der laserinterferometrische Aufbau nur bei der Inbetriebnahme des Computertomografen und/oder in festgelegten Abständen eingesetzt und kann zwischenzeitlich einer anderen Verwendung zugeführt werden.To solve this, the invention provides that the determination of the CT geometry of a computer tomograph is carried out by using at least one laser interferometric structure arranged in or on the computer tomograph, the respective positions of the components source, detector and turntable on a base and / or to one another are recorded. The CT geometry is preferably recorded for one or more configurations, in particular imaging scales. The laser interferometric structure is preferably used only when the computer tomograph is put into operation and / or at fixed intervals and can be used for another purpose in the meantime.
Die nach dem Stand der Technik bekannten laserinterferometrischen Anordnungen werden dazu verwendet, indem die beiden Bestandteile Sender und Reflektor an der Basis oder den Komponenten angeordnet werden. Es können auch mehrere laserinterferometrische Anordnungen gleichzeitig eingesetzt werden. Es bestehen insgesamt mehrere Kombinationsmöglichkeiten. Eine erste Möglichkeit besteht darin Sender oder Reflektor an der Basis zu befestigen und das jeweilige Gegenstück (Sender oder Reflektor) nacheinander oder gleichzeitig an einer der Komponenten Quelle, Detektor, Drehtisch. Die zweite Möglichkeit sieht vor, dass die beiden Bestandteile Sender und Reflektor an jeweils zwei der Komponenten Quelle, Detektor, Drehtisch angeordnet sind und zwei der drei Kombinationsmöglichkeiten (Quelle-Detektor, Quelle-Werkstück, Werkstück-Detektor) realisiert werden. Hier ist der Messaufwand insgesamt geringen, die konstruktive Umsetzung aber komplexer.The laser interferometric arrangements known from the prior art are used by arranging the two components transmitter and reflector on the base or on the components. Several laser interferometric arrangements can also be used at the same time. There are a total of several possible combinations. A first possibility is to attach the transmitter or reflector to the base and the respective counterpart (transmitter or reflector) one after the other or at the same time to one of the components source, detector, turntable. The second possibility provides that the two components transmitter and reflector are arranged on two of the components source, detector, turntable and two of the three possible combinations (source-detector, source-workpiece, workpiece-detector) are realized. Here, the measurement effort is low overall, but the constructive implementation is more complex.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst daher eine Einmessvorrichtung zur Bestimmung der Geometrie (SOUV-Vektoren) oder mehrerer unterschiedlicher Geometrien eines Computertomografen (CT-Geometrie), also der jeweiligen Lage der Komponenten des Computertomografen zueinander, wobei die Komponenten sind:
- 1. Strahlungsquelle, insbesondere Röntgenstrahlungsquelle (Quelle)
- 2. Strahlungsdetektor, insbesondere Röntgenstrahlendetektor (Detektor)
- 3. Drehtisch zur Aufnahme und Drehung des zu untersuchenden Werkstücks,
- 1. Radiation source, in particular X-ray source (source)
- 2. Radiation detector, especially X-ray detector (detector)
- 3. Turntable for picking up and rotating the workpiece to be examined,
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass eine, zwei oder alle drei Komponenten von jeweils einer in einer, zwei oder drei Raumrichtungen verschiebbaren Antriebseinheit ausgehen, vorzugsweise von Messachsen ausgehen, wobei die Antriebseinheit bzw. die jeweilige Messachse eine Relativverschiebung der jeweiligen Komponente in Bezug auf die Basis bewirkt.In particular, the invention is characterized in that one, two or all three components start from a drive unit that can be displaced in one, two or three spatial directions, preferably start from measuring axes, the drive unit or the respective measuring axis moving the respective component relative to one another causes on the base.
In der Regel müssen nicht alle drei Komponenten in alle drei Raumrichtungen verschiebbar sein. Aus Redundanzgründen reicht es aus, wenn je Raumrichtung jeweils maximal zwei der Komponenten verschiebbar sind.As a rule, it is not necessary for all three components to be displaceable in all three spatial directions. For reasons of redundancy, it is sufficient if a maximum of two of the components can be moved in each spatial direction.
Vorzugsweise zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der laserinterferometrische Aufbau zumindest eine zumindest einen Messstrahl abgebende Einheit (Sender), zumindest eine einen Messstrahl reflektierende oder umlenkende Einheit (Reflektor) wie Planspiegel oder Tripelspiegel und eine Auswerteeinheit aufweist, wobei vorzugsweise im Sender oder an einer den Sender aufnehmenden Vorrichtung zumindest eine Referenzstrecke für die Erzeugung von durch die Auswerteeinheit zu verarbeitender Interferenz mit dem Messstrahl angeordnet ist.The invention is preferably characterized in that the laser interferometric structure has at least one unit (transmitter) that emits at least one measuring beam, at least one unit (reflector) that reflects or deflects a measuring beam, such as a plane mirror or triple mirror, and an evaluation unit, preferably in the transmitter or on a the device receiving the transmitter at least one reference path for generating interference to be processed by the evaluation unit with the measuring beam is arranged.
Nach einem besonders hervorzuhebenden Vorschlag ist vorgesehen, dass an zumindest einer der Komponenten, vorzugsweise jeder der Komponenten, jeweils zumindest ein Reflektor angeordnet ist und/oder dass zumindest ein Reflektor von der Basis ausgeht.According to a proposal to be particularly emphasized, it is provided that at least one reflector is arranged on at least one of the components, preferably each of the components, and / or that at least one reflector extends from the base.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung daher vor, dass zumindest ein Sender von einer feststehenden Basis ausgeht und/oder dass zumindest ein Sender von zumindest einer der Komponenten ausgeht.The invention therefore preferably provides that at least one transmitter starts from a fixed base and / or that at least one transmitter starts from at least one of the components.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass ein Sender von einer feststehenden Basis ausgeht, dessen Messstrahl nacheinander auf die mehreren Reflektoren an den mehreren Komponenten ausrichtbar ist, wobei der Sender Mittel zur Ausrichtung des Messstrahls aufweist, mit denen der Messstrahl der Bewegung des relativ dazu bewegten Reflektors nachführbar ist, wobei der Sender vorzugsweise an unterschiedlichen Positionen an der Basis anbringbar ist.In particular, the invention is characterized in that a transmitter emanates from a fixed base, the measuring beam of which can be aligned successively to the several reflectors on the several components, the transmitter having means for aligning the measuring beam with which the measuring beam of the movement of the relative thereto moved reflector can be tracked, the transmitter preferably being attachable to the base at different positions.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass ein Sender von einer der Komponenten ausgeht, wobei dessen Messstrahl nacheinander auf die mehreren Reflektoren an den mehreren anderen Komponenten oder der Basis ausrichtbar ist, wobei der Sender Mittel zur Ausrichtung des Messstrahls auf den jeweils zu erfassenden Reflektor ausweist, mit denen der Messstrahl der Bewegung des jeweils erfassten relativ dazu bewegten Reflektors nachführbar ist, wobei der Sender vorzugsweise an unterschiedlichen Positionen an der Komponente und/oder an unterschiedlichen Komponenten anbringbar ist.It is preferably provided that a transmitter emanates from one of the components, its measuring beam being able to be aligned successively to the multiple reflectors on the multiple other components or the base, the transmitter having means for aligning the measurement beam to the respective reflector to be detected, with which the measuring beam of the movement of the respectively detected reflector moved relative to it can be tracked, wherein the transmitter can preferably be attached to the component and / or to different components at different positions.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass ein mehrere Messstrahlen aufweisender Sender von einer feststehenden Basis oder einer den Sender aufnehmenden Vorrichtung ausgeht, die mit der Basis verbunden ist, wobei die Messstrahlen jeweils gleichzeitig oder nacheinander auf einen Reflektor jeweils einer Komponente gerichtet sind.It should also be emphasized that a transmitter having a plurality of measuring beams emanates from a stationary base or a device receiving the transmitter that is connected to the base, the measuring beams being directed simultaneously or one after the other onto a reflector of one component each.
Vorzugsweise zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass ein mehrere Messstrahlen aufweisender Sender von einer der Komponenten oder einer den Sender aufnehmenden Vorrichtung ausgeht, die mit einer der Komponenten verbunden ist, wobei die Messstrahlen jeweils gleichzeitig oder nacheinander auf einen Reflektor jeweils einer der anderen Komponenten oder der Basis gerichtet sind.The invention is preferably characterized in that a transmitter having a plurality of measuring beams emanates from one of the components or from a device receiving the transmitter that is connected to one of the components, the measuring beams each simultaneously or one after the other on a reflector in each case on one of the other components or the base are directed.
Nach einem besonders hervorzuhebenden Vorschlag ist vorgesehen, dass an zumindest einer Komponente oder der Basis mehrere Reflektoren angeordnet sind, auf die jeweils ein Messstrahl des Senders gleichzeitig oder nacheinander gerichtet ist, um die relative Lage der jeweiligen Komponente in mehreren Raumrichtungen zu erfassen.According to a suggestion that should be particularly emphasized, it is provided that several reflectors are arranged on at least one component or the base, onto which a measuring beam of the transmitter is directed simultaneously or one after the other in order to detect the relative position of the respective component in several spatial directions.
Eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Einmessvorrichtung zur Bestimmung von Einmessdaten eines Koordinatenmessgerätes, das zumindest einen mehr als eine Messdimension aufweisenden Sensor, insbesondere linienförmigen oder matrixförmigen Erfassungsbereich aufweisenden Sensor, und eine oder mehrere Bewegungsachsen (Antriebseinheiten), insbesondere Messachsen zur Relativbewegung von Sensor und zu messendes Werkstück aufnehmenden Messtisch oder Drehtisch zueinander, umfasst, die sich dadurch auszeichnet, die Einmessvorrichtung vorgesehen und am oder im Koordinatenmessgerät angeordnet ist, und eine Lageerfassungseinrichtung aufweist, die ausgebildet ist zur Erfassung der sich aus der Relativbewegung ergebenden Lage zwischen Sensor und Werkstück aufnehmendem Messtisch oder Drehtisch, insbesondere der sich dabei ergebenden Relativposition und/oder Winkellage bzw. Winkellage zueinander.Another device according to the invention comprises a calibration device for determining calibration data of a coordinate measuring machine, the at least one sensor having more than one measuring dimension, in particular a linear or matrix-shaped detection area comprising sensor, and one or more axes of movement (drive units), in particular measuring axes for the relative movement of the sensor and the measuring table or rotary table receiving the workpiece to be measured, which is characterized by the fact that the calibration device is provided and arranged on or in the coordinate measuring machine, and has a position detection device which is designed to detect the position resulting from the relative movement between the sensor and the workpiece receiving measuring table or turntable, in particular the resulting relative position and / or angular position or angular position to one another.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Lageerfassungseinrichtung zumindest einen optischen Abstandsensor, vorzugsweise laserinterferometrischen Aufbau (313-316, 333-336), und/oder eine Kamera und/oder einen Computertomografiesensor (Computertomografen) umfasst und/oder dass die Lageerfassungseinrichtung durch den im Koordinatenmessgerät enthaltenen Computertomografiesensor (Computertomografen) gebildet wird.In particular, the invention is characterized in that the position detection device comprises at least one optical distance sensor, preferably a laser interferometric structure (313-316, 333-336), and / or a camera and / or a computer tomography sensor (computer tomograph) and / or that the position detection device has the computed tomography sensor (computed tomography) contained in the coordinate measuring machine is formed.
Die Erfindung sieht zur Lösung auch ein Verfahren zur Bestimmung der Geometrie (SOUV-Vektoren) oder mehrerer unterschiedlicher Geometrien eines Computertomografen (CT-Geometrie) unter Verwendung der zuvor genannten Vorrichtung vor, dass sich dadurch auszeichnet, dass die Lagen der Komponenten zueinander und/oder zu einer Basis mittels des laserinterferometrischen Aufbaus erfasst werden.The invention also provides a method for determining the geometry (SOUV vectors) or several different geometries of a computer tomograph (CT geometry) using the aforementioned device to be recorded on a base by means of the laser interferometric structure.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass unterschiedliche Lagen der Komponenten mittels der Antriebseinheiten eingestellt werden.In particular, the invention is characterized in that different positions of the components are set by means of the drive units.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass für mehrere mittels der Antriebseinheiten eingestellte Lagen zwischen den Komponenten, also für mehrere unterschiedliche Relativpositionen der Komponenten zueinander, insbesondere für unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe und/oder unterschiedliche Kegelwinkel, mit einem oder mehreren Sendern oder den mehreren Messstrahlen des jeweiligen Senders nacheinander oder gleichzeitig die Entfernungen oder Entfernungsänderungen und/oder Winkellagen oder Winkellagenänderungen zwischen dem jeweiligen Sender und dem jeweils erfassten Reflektor ermittelt werden, und daraus die jeweils eingestellte CT-Geometrie bestimmt wird.It is preferably provided that for several positions between the components set by means of the drive units, i.e. for several different relative positions of the components to one another, in particular for different imaging scales and / or different cone angles, with one or more transmitters or the several measuring beams of the respective transmitter one after the other or simultaneously the distances or changes in distance and / or angular positions or angular position changes between the respective transmitter and the respective detected reflector are determined, and the CT geometry set in each case is determined therefrom.
Der Abbildungsmaßstab ändert sich mit dem Abstand des Drehtischs zur Quelle und dem Detektor. Wird der Drehtisch in Richtung auf die Quelle zu verschoben, vergrößert sich der Abbildungsmaßstab. Eine Änderung des Abbildungsmaßstabes ergibt sich auch durch die Veränderung des Abstandes zwischen Detektor und Quelle, wobei sich dabei auch der Kegelwinkel ändert. Wird der Detektor von der Quelle weg positioniert, ergibt sich eine Vergrößerung des Abbildungsmaßstabs und ein verkleinerter Kegelwinkel. Der vorliegende Kegelwinkel ergibt sich also aus dem Abstand zwischen Quelle und Detektor und ist unabhängig von der Position des Drehtischs.The image scale changes with the distance between the turntable and the source and the detector. If the turntable is moved towards the source, the image scale increases. A change in the image scale also results from the change in the distance between the detector and the source, with the cone angle also changing in the process. If the detector is positioned away from the source, the result is an enlargement of the image scale and a reduced cone angle. The present cone angle results from the distance between the source and the detector and is independent of the position of the turntable.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass aus den ermittelten Entfernungen oder Entfernungsänderungen und/oder Winkellagen oder Winkellagenänderungen eine Korrektur für die mit den Messachsen dabei ermittelten Messpositionen der Komponenten bestimmt wird, vorzugsweise in Form eines look up tables.It should also be emphasized that a correction for the measurement positions of the components determined with the measurement axes is determined from the determined distances or changes in distance and / or angular positions or angular position changes, preferably in the form of a look up table.
Vorzugsweise zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die CT-Geometrie oder die mehreren unterschiedlichen CT-Geometrien vor der eigentlichen Messung mit dem Computertomografen bestimmt und gespeichert werden, indem den dabei eingenommenen Positionen der Messachsen oder jeweiligen Kombinationen der eingenommenen Positionen der mehreren Messachsen die jeweils dabei bestimmte CT-Geometrie zugeordnet wird, und dass nach einer mittels der Messachsen festgestellten Lageänderung der Komponenten die jeweils zugeordnete CT-Geometrie der folgenden Computertomografie zugeordnet wird.The invention is preferably characterized in that the CT geometry or the several different CT geometries are determined and stored with the computer tomograph before the actual measurement by the positions assumed by the measuring axes or respective combinations of the positions assumed by the several measuring axes certain CT geometry is assigned, and after a change in the position of the components determined by means of the measuring axes, the respectively assigned CT geometry is assigned to the following computed tomography.
Zuordnen bedeutet, dass die der vorliegenden CT-Geometrie entsprechenden SOUV-Vektoren der weiteren Auswertung zugrunde gelegt werden, insbesondere für die Rekonstruktion der Durchstrahlungsbilder zu Volumendaten verwendet werden.Allocation means that the SOUV vectors corresponding to the present CT geometry are used as a basis for the further evaluation, in particular used for the reconstruction of the radiographic images to form volume data.
Die Erfindung sieht zur Lösung auch ein Verfahren zur Bestimmung der Einmessdaten eines Koordinatenmessgerätes unter Verwendung einer der zuvor beschriebenen Vorrichtungen vor, dass sich dadurch auszeichnet, dass die Lagen der Komponenten, insbesondere Relativpositionen und/oder Winkellagen bzw. Winkellage zueinander mit der Einmessvorrichtung erfasst werden.The invention also provides a method for determining the calibration data of a coordinate measuring device using one of the devices described above, which is characterized in that the positions of the components, in particular relative positions and / or angular positions or angular position to one another, are recorded with the calibration device.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass unterschiedliche Lagen der Komponenten mittels der Bewegungsachsen (Antriebseinheiten) eingestellt werden.In particular, the invention is characterized in that different positions of the components are set by means of the axes of movement (drive units).
Vorzugsweise zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass für mehrere mittels der Bewegungsachsen (Antriebseinheiten) eingestellte Lagen zwischen den Komponenten, also für mehrere unterschiedliche Relativpositionen der Komponenten zueinander, insbesondere für unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe und/oder unterschiedliche Kegelwinkel eines Computertomografen, mit der Lageerfassungseinrichtung und/oder mit einem oder mehreren Sendern oder den mehreren Messstrahlen des jeweiligen Senders nacheinander oder gleichzeitig die Entfernungen oder Entfernungsänderungen und/oder Winkellagen oder Winkellagenänderungen zwischen der Erfassungseinrichtung und der jeweiligen Komponente und/oder zwischen dem jeweiligen Sender und dem jeweils erfassten Reflektor ermittelt werden, und daraus die jeweils eingestellte Lage der Komponenten und/oder die jeweils eingestellte CT-Geometrie bestimmt wird.The invention is preferably characterized in that for several positions between the components set by means of the movement axes (drive units), i.e. for several different relative positions of the components to one another, in particular for different imaging scales and / or different cone angles of a computer tomograph, with the Position detection device and / or with one or more transmitters or the multiple measuring beams of the respective transmitter successively or simultaneously the distances or changes in distance and / or angular positions or angular position changes between the detection device and the respective component and / or between the respective transmitter and the respective detected reflector can be determined , and from this the respectively set position of the components and / or the respectively set CT geometry is determined.
Nach einem besonders hervorzuhebenden Vorschlag ist vorgesehen, dass aus den ermittelten Entfernungen oder Entfernungsänderungen und/oder Winkellagen oder Winkellagenänderungen eine Korrektur für die mit den Messachsen dabei ermittelten Messpositionen der Komponenten bestimmt wird, vorzugsweise in Form eines look up tables.According to a suggestion that should be particularly emphasized, it is provided that a correction for the measurement positions of the components determined with the measurement axes is determined from the determined distances or distance changes and / or angular positions or angular position changes, preferably in the form of a look up table.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung daher vor, dass die CT-Geometrie oder die mehreren unterschiedlichen CT-Geometrien vor der eigentlichen Messung mit dem Computertomografen bestimmt und gespeichert werden, indem den dabei eingenommenen Positionen der Messachsen oder jeweiligen Kombinationen der eingenommenen Positionen der mehreren Messachsen die jeweils dabei bestimmte CT-Geometrie zugeordnet wird, und dass nach einer mittels der Messachsen festgestellten Lageänderung der Komponenten die jeweils zugeordnete CT-Geometrie der folgenden Computertomografie zugeordnet wird.The invention therefore preferably provides that the CT geometry or the several different CT geometries are determined and stored with the computer tomograph prior to the actual measurement by the positions assumed by the measuring axes or respective combinations of the positions assumed by the several measuring axes certain CT geometry is assigned, and that after a change in position of the components determined by means of the measuring axes, the respectively assigned CT geometry is assigned to the following computer tomography.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass aus den Einmessdaten zumindest erste Korrekturdaten berechnet werden, die für die Korrektur von bei späteren Messungen von Werkstücken ermittelten Messdaten zur Verfügung gestellt werden, wobei vorzugsweise aus den ersten Korrekturdaten unter Hinzunahme weiterer Korrekturdaten resultierende Korrekturdaten berechnet werden, die für die Korrektur späterer Messungen von Werkstücken zur Verfügung gestellt werden.In particular, the invention is characterized in that at least first correction data are calculated from the calibration data, which are made available for the correction of measurement data determined during subsequent measurements of workpieces, correction data resulting preferably from the first correction data being calculated with the addition of further correction data, which are made available for the correction of later measurements of workpieces.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die ersten Korrekturdaten aus den Einmessdaten der geometrischen Abweichungen der für die Bewegung der Komponenten eingesetzten Bewegungsachsen berechnet werden, und dass vorzugsweise als weitere Korrekturdaten Abweichungen in der Lage, insbesondere Relativpositionen und/oder Winkellagen, unbewegter Komponenten, beispielsweise des Sensors wie Detektors und/oder der Röntgenquelle und/oder des Drehtisches, oder Detektorspezifische Korrekturen wie beispielsweise Bad Pixel Korrekturen, Shading-Korrekturen oder ähnliches verwendet werden.It is preferably provided that the first correction data are calculated from the calibration data of the geometric deviations of the movement axes used for moving the components, and that deviations in the position, in particular relative positions and / or angular positions, of unmoved components, for example of the sensor such as Detector and / or the X-ray source and / or the turntable, or detector-specific corrections such as bad pixel corrections, shading corrections or the like can be used.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass weitere Korrekturdaten ermittelt werden durch die Messung von kalibrierten Maßverkörperungen mit dem Koordinatenmessgerät und/oder mit dem Computertomografen.It should also be emphasized that further correction data are determined by measuring calibrated material measures with the coordinate measuring machine and / or with the computer tomograph.
Vorzugsweise zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Anwendung der weiteren Korrekturdaten das virtuelle Verschieben (Translation) und/oder Drehen (Rotation) der Detektordaten umfasst.The invention is preferably characterized in that the application of the further correction data includes the virtual displacement (translation) and / or rotation (rotation) of the detector data.
Nach einem besonders hervorzuhebenden Vorschlag ist vorgesehen, dass zur Bestimmung der Korrekturdaten eine beliebige Kombination verschiedener Verfahren zur Berechnung der Korrekturdaten angewendet wird, insbesondere:
- - hierarchische Kaskadierung, wobei nacheinander Korrekturdaten für die Positionen und/oder Winkellagen, beispielsweise Rechtwinkligkeitsfehler und/oder Geradheitsfehler von einer oder mehreren Bewegungsachsen, insbesondere Messachsen, und/oder feststehender Komponenten aufgenommen und angewendet werden, und anschließend Korrekturdaten für die Positionen und/oder Winkellagen weiterer Bewegungsachsen, insbesondere Messachsen, und/oder feststehender Komponenten aufgenommen und angewendet werden, oder
- - Optimierung auf Basis der Gesamtkorrekturdaten, wobei die Korrekturdaten für alle Bewegungsachsen, insbesondere Messachsen, und feststehenden Komponenten aufgenommen und dann erst angewendet werden.
- - Hierarchical cascading, with correction data for the positions and / or angular positions, for example squareness errors and / or straightness errors, of one or more axes of movement, in particular measuring axes, and / or fixed components being recorded and applied one after the other, and then correction data for the positions and / or angular positions further axes of movement, in particular measuring axes, and / or fixed components are recorded and used, or
- - Optimization on the basis of the total correction data, the correction data for all movement axes, in particular measuring axes, and fixed components being recorded and only then applied.
Bei der hierarchischen Kaskadierung gehen Fehler, die bei der ersten Einmessung auftreten, in spätere Einmessungen ein. Dafür sind diese Verfahren aber leichter umsetzbar. Erfolgt die Einmessung auf Basis der gesamten Einmessdaten, ist eine genauere Einmessung möglich, da es nicht zu einer Fehlerfortpflanzung kommt. Diese Verfahren sind aber in der Regel komplizierter.With hierarchical cascading, errors that occur during the first calibration are included in later calibrations. In return, these procedures are easier to implement. If the calibration is carried out on the basis of the entire calibration data, a more precise calibration is possible, since there is no error propagation. However, these procedures are usually more complicated.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung daher vor, dass für die Messung an Werkstücken die Anwendung der ermittelten Korrekturdaten nach einem oder mehreren der folgenden Verfahren erfolgt, vorzugsweise wobei diese alternativ oder kaskadiert (nacheinander) angewendet werden:
- - Korrektur der Positionen der Bewegungsachsen, insbesondere Messachsen, durch entsprechendes Positionieren dieser und/oder
- - Korrektur der Position und/oder Winkellage feststehender Komponenten durch Justieren dieser, insbesondere Drehen des Detektors und/oder
- - Rechnerische Korrektur der aus den Korrekturdaten hervorgehenden Lageabweichungen der Komponenten, insbesondere durch
- ○ Korrektur, insbesondere Verschiebung und/oder Skalierung und/oder Kippen der aufgenommenen Messdaten des Sensors, insbesondere der von einem ein- oder zweidimensionale Sensorfläche aufweisenden Bildsensor wie Zeilen- oder Matrix-Kamera oder Röntgendetektor, vorzugsweise Resampling der Messdaten in der sich aus der Korrektur ergebenden korrigierten Lage, besonders bevorzugt der Durchstrahlungsbilddaten eines Röntgenstrahlendetektor, und/oder
- ○ Berücksichtigung einer abweichenden CT-Geometrie, wie beispielsweise Abbildungsmaßstab,
- ■ bei der Rekonstruktion der mit dem Computertomografiesensor (Computertomografen) aufgenommenen Durchstrahlungsbilder, insbesondere Korrektur der den Durchstrahlungsbildern zugeordneten SOUV-Vektoren, und/oder
- ■ durch Korrektur, insbesondere Verschiebung und/oder Skalierung und/oder Kippen der Durchstrahlungsbilder, und/oder
- ■ durch Korrektur, insbesondere Verschiebung und/oder Skalierung der aus den Durchstrahlungsbildern rekonstruierten Volumendaten (Voxeldaten).
- Correction of the positions of the movement axes, in particular measuring axes, by positioning them accordingly and / or
- - Correction of the position and / or angular position of fixed components by adjusting them, in particular rotating the detector and / or
- - Computational correction of the positional deviations of the components resulting from the correction data, in particular by
- ○ Correction, in particular shifting and / or scaling and / or tilting of the recorded measurement data of the sensor, in particular of an image sensor having a one- or two-dimensional sensor surface such as line or matrix camera or X-ray detector, preferably resampling of the measurement data resulting from the correction resulting corrected position, particularly preferably the radiographic image data of an X-ray detector, and / or
- ○ Consideration of a deviating CT geometry, such as the imaging scale,
- During the reconstruction of the radiographic images recorded with the computed tomography sensor (computer tomograph), in particular correction of the SOUV vectors assigned to the radiographic images, and / or
- Through correction, in particular shifting and / or scaling and / or tilting of the radiographic images, and / or
- Through correction, in particular shifting and / or scaling, of the volume data (voxel data) reconstructed from the radiographic images.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Computertomografieverfahren, bei dem physikalische Effekte wie Artefakte bei der Durchstrahlung eines Werkstücks mittels Simulationsmethoden korrigiert werden.The present invention also relates to a computed tomography method in which physical effects such as artifacts when radiating through a workpiece are corrected by means of simulation methods.
Nach dem Stand der Technik bekannte Korrekturverfahren für Messdaten einer Computertomografie, die mittels Simulation arbeiten, sind in der
Bei der Anwendung der in den zuvor genannten Schriften beschriebenen Korrekturverfahren hat sich jedoch herausgestellt, dass die Nominaldaten oder STL-Daten mit den real vorliegenden Abmessungen des Werkstücks (reale Werkstückgestalt) nicht ausreichend übereinstimmen, um eine exakte Simulation der Artefakte und damit eine exakte Korrektur zu gewährleisten. Ein weiteres Problem ist, dass bei insbesondere stark artefaktbehafteten Messdaten STL-Daten, also eine Oberflächenpunktdarstellung, aus den Volumendaten erst gar nicht ermittelt werden kann, wodurch diese für die Simulationen nicht zur Verfügung stehen und zwangsläufig auf die CAD-Daten als Eingangsdaten zurückgegriffen werden muss, oder die STL-Daten ebenso zu große Abweichungen zur realen Werkstückgestalt aufweisen, was jeweils zum zuvor genanntem Nachteil führt. When using the correction methods described in the aforementioned documents, however, it has been found that the nominal data or STL data do not match the actual dimensions of the workpiece (real workpiece shape) sufficiently to allow an exact simulation of the artifacts and thus an exact correction guarantee. Another problem is that, in the case of measurement data with particularly high levels of artifacts, STL data, i.e. a surface point representation, cannot even be determined from the volume data, which means that these are not available for the simulations and the CAD data must be used as input data , or the STL data also deviate too much from the real workpiece shape, which in each case leads to the aforementioned disadvantage.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, Abweichungen zu vermeiden oder zumindest zu verringern, die bei der Bestimmung einer Korrektur für Messdaten einer Computertomografie durch Simulationen von physikalischen Effekten wie Artefakten auftreten können, insbesondere die bei der Bestimmung der Korrektur durch Differenzbildung einer Simulation unter Berücksichtigung der Artefakte und einer Simulation ohne Berücksichtigung dieser Artefakte auftretenden, so dass Nominaldaten, wie CAD-Daten verwendet werden können. Liegen STL-Daten einer Messung des Werkstücks vor, sollen auch diese als Eingangsdaten für die Simulationen genutzt werden können. Dabei zu erwartende Abweichungen der Simulation aufgrund der Abweichungen der STL-Daten von der tatsächlich vorliegenden Werkstückgestalt sollen ebenso verringert oder vermieden werden.A further object of the present invention is therefore to avoid or at least reduce deviations that can occur when determining a correction for measurement data of a computed tomography by simulating physical effects such as artifacts, in particular when determining the correction by forming the difference in a simulation Taking into account the artifacts and a simulation without taking these artifacts into account, so that nominal data such as CAD data can be used. If STL data from a measurement of the workpiece is available, it should also be able to be used as input data for the simulations. Expected deviations in the simulation due to the deviations of the STL data from the actual workpiece shape should also be reduced or avoided.
Zur Lösung sieht die Erfindung vor, dass die bekannte Korrektur, hier als vorläufige Korrektur (Sim-Artefakte) bezeichnet, die sich aus der Differenz einer Simulation mit (Sim-Vol) und einer Simulation ohne (Ideal-Vol) Berücksichtigung der zu korrigierenden physikalischen Effekte wie Artefakte, durch Anwendung einer Transformationsvorschrift (Verzeichnungs-MAP) zu einer endgültigen Korrektur (Real-Artefakt) für die Messdaten (Real-Vol) angepasst wird. Alternativ ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Transformationsvorschrift auf die Simulationsdaten (Sim-Vol) und (Ideal-Vol) anzuwenden und die Differenz zwischen den sich daraus ergebenden korrigierten Simulationsdaten (Sim-Vol-K) und (Ideal-Vol-K) für die Bestimmung der endgültigen Korrektur (Real-Artefakt) zu verwenden. Da sich hieraus jedoch ergibt, dass die Anwendung der Transformationsvorschrift auf die Simulationsdaten (Ideal-Vol) ohne Berücksichtigung der zu korrigierenden physikalischen Effekte direkt zu den korrigierten Messdaten (Koor-Vol) führt, ist auch ein entsprechend verkürztes Verfahren erfindungsgemäß vorgesehen.To solve this, the invention provides that the known correction, referred to here as a preliminary correction (Sim artifacts), which results from the difference between a simulation with (Sim-Vol) and a Simulation without (ideal vol) consideration of the physical effects to be corrected such as artifacts, by applying a transformation rule (distortion MAP) to a final correction (real artifact) for the measurement data (real vol). Alternatively, the invention provides for the transformation rule to be applied to the simulation data (Sim-Vol) and (Ideal-Vol) and the difference between the resulting corrected simulation data (Sim-Vol-K) and (Ideal-Vol-K) for the determination to use the final correction (real artifact). However, since it results from this that the application of the transformation rule to the simulation data (Ideal-Vol) leads directly to the corrected measurement data (Koor-Vol) without taking into account the physical effects to be corrected, a correspondingly shortened method is also provided according to the invention.
Die Transformationsvorschrift ist erfindungsgemäß die Abbildung der Simulationsdaten mit Berücksichtigung der physikalischen Effekte (Sim-Vol) auf die Messdaten (Real-Vol). Durch dieses Vorgehen wird der Teil der Abweichungen der Simulationsdaten mit Berücksichtigung der Artefakte zu den real gemessenen artefaktbehafteten Messdaten erfasst, der aus der Abweichung der Eingangsdaten für die Simulationen zur realen Werkstückgestalt resultiert, und verwendet, um die Simulationsdaten (Sim-Vol) und (Ideal-Vol) oder die vorläufige Korrektur aus der Differenzbildung der beiden Simulationsdaten (Sim-Vol) und (Ideal-Vol) oder im Falle des verkürzten Verfahrens nur die Simulationsdaten (Ideal-Vol) entsprechend anzupassen.According to the invention, the transformation rule is the mapping of the simulation data taking into account the physical effects (Sim-Vol) on the measurement data (Real-Vol). With this procedure, the part of the deviations of the simulation data, taking into account the artifacts to the real measured artifact-afflicted measurement data, which results from the deviation of the input data for the simulations to the real workpiece shape, is recorded and used to calculate the simulation data (Sim-Vol) and (Ideal -Vol) or the preliminary correction from the formation of the difference between the two simulation data (Sim-Vol) and (Ideal-Vol) or, in the case of the shortened method, only to adapt the simulation data (Ideal-Vol) accordingly.
Besonders bevorzugt erfolgt die Korrektur auf der Basis der Volumendaten. Vorteilhaft ist hierbei, dass Messdaten in Form von Volumendaten auch dann vorliegen, wenn diese derart artefaktbehaftet sind, dass Oberflächendaten (STL-Daten) nicht berechnet werden können, oder große Abweichungen zur tatsächlichen Werkstückgestalt aufweisen. Die Erfindung sieht aber grundlegend auch vor, die Korrektur auf Basis der Durchstrahlungsbilddaten oder der Oberflächenpunktdaten zu realisieren oder gemischt, wie zuvor zu den Schriften der Anmelderin aus dem Stand der Technik erläutert.The correction is particularly preferably carried out on the basis of the volume data. It is advantageous here that measurement data is also available in the form of volume data if these are so subject to artifacts that surface data (STL data) cannot be calculated or have large deviations from the actual workpiece shape. However, the invention basically also provides for the correction to be implemented on the basis of the radiographic image data or the surface point data or mixed, as explained above in relation to the prior art documents of the applicant.
Beispielhaft erfolgen die folgenden Erläuterungen für den Fall der Bestimmung und Anwendung der Korrektur aus bzw. auf die Volumendaten. Die Simulation unter Berücksichtigung von Artefakten (im Weiteren als Sim-Vol bezeichnet) erfolgt zunächst anhand von Eingangsdaten in Form von Nominaldaten wie CAD - Daten des Werkstücks. Sofern vorhanden können auch Oberflächendaten (STL-Daten) einer Messung des entsprechenden Werkstücks verwendet werden. An den identischen Eingangsdaten wird dann auch die Simulation ohne Berücksichtigung der Artefakte durchgeführt. Die Simulationen erfolgen jeweils in Form einer sogenannten Vorwärtsprojektion, wobei simulierte Durchstrahlungsbilddaten berechnet werden, die zu simulierten Volumendaten rekonstruiert werden. Im nächsten Schritt wird die Transformationsvorschrift ermittelt, die die artefaktbehafteten Simulationsdaten im Volumendatenformat (Sim-Vol) auf die, aus den gemessenen Durchstrahlungsbilddaten rekonstruierten gemessenen Volumendaten (Real-Vol) abgebildet.The following explanations are given by way of example for the case of determining and applying the correction from or on the volume data. The simulation, taking into account artifacts (hereinafter referred to as Sim-Vol), is initially carried out on the basis of input data in the form of nominal data such as CAD data of the workpiece. If available, surface data (STL data) of a measurement of the corresponding workpiece can also be used. The simulation is then also carried out on the identical input data without taking the artifacts into account. The simulations are each carried out in the form of a so-called forward projection, with simulated radiographic image data being calculated and reconstructed into simulated volume data. In the next step, the transformation rule is determined that maps the artifact-affected simulation data in volume data format (Sim-Vol) onto the measured volume data (Real-Vol) reconstructed from the measured radiographic image data.
Die Transformationsvorschrift arbeitet auf Basis der Grauwerte der Voxel der Volumendaten und nimmt eine Neuzuordnung der Grauwerte so vor, dass mittels affiner und/oder nicht affiner Transformationen die Unterschiede zwischen den Simulationsdaten und den Messdaten in Bezug auf die Lageverschiebung zwischen den Grauwertübergängen minimiert werden. Diese Grauwertübergänge sind später repräsentativ für die zu bestimmenden Oberflächendaten. Hierdurch werden also die dimensionellen Abweichungen zwischen Simulationsdaten und real gemessenen Daten im Bereich der Volumendaten erfasst, um mit dieser Information anschließend eine exaktere Korrektur der gemessenen Volumendaten zu ermöglichen.The transformation rule works on the basis of the gray values of the voxels of the volume data and reallocates the gray values in such a way that the differences between the simulation data and the measurement data with regard to the position shift between the gray value transitions are minimized by means of affine and / or non-affine transformations. These gray value transitions are later representative of the surface data to be determined. In this way, the dimensional deviations between the simulation data and the actually measured data in the area of the volume data are recorded in order to subsequently enable a more precise correction of the measured volume data with this information.
Sim-Artefakt ist für den Fall der Korrektur auf Basis der Volumendaten ein Artefaktvolumen, das durch Berechnung, insbesondere Differenzbildung aus der Simulation mit und der Simulation ohne Berücksichtigung der Artefakte gebildet wird. Entweder wird dieses Artefaktvolumen durch Anwendung der Transformationsvorschrift an die tatsächliche Werkstückform angepasst, oder die Simulationsvolumendaten ohne (Ideal-Vol) Berücksichtigung der Artefakte und gegebenenfalls auch die Simulationsvolumendaten mit (Sim-Vol) Berücksichtigung der Artefakte selbst werden durch Anwendung der Transformationsvorschrift auf die richtige Werkstückgeometrie (zu Ideal-Vol-K bzw. Sim-Vol-K) abgeglichen, was dazu führt, dass die mit der Transformationsvorschrift korrigierten Simulationsdaten (Ideal-Vol-K) direkt zu den korrigierten Messvolumendaten (Korr-Vol) bzw. die Differenzbildung zwischen (Sim-Vol-K) und (Ideal-Vol-K) direkt zu den endgültigen Korrekturdaten (Real-Artefakt) führt. Durch die Transformationsvorschrift erfolgt sozusagen eine Skalierung, Rotation, Translation, Scherung und damit Verschiebung der Grauwerte im Artefaktvolumen (Sim-Artefakt) bzw. den Simulationsvolumendaten (Ideal-Vol) und gegebenenfalls (Sim-Vol) derart, dass die Abweichungen in den Kantenorten (Grauwertübergängen) zwischen Simulationsdaten und gemessenen Daten korrigiert werden. Die angesprochene Neuzuordnung der Grauwerte ist insbesondere bei Skalierungsoperationen nicht unbedingt quellenfrei, d.h. die Summe der Grauwerte eines Volumens kann durch die Transformationsvorschrift verändert werden.In the case of the correction based on the volume data, the SIM artifact is an artifact volume that is formed by calculation, in particular by forming the difference from the simulation with and the simulation without taking into account the artifacts. Either this artifact volume is adapted to the actual workpiece shape by applying the transformation rule, or the simulation volume data without (Ideal-Vol) consideration of the artifacts and possibly also the simulation volume data with (Sim-Vol) consideration of the artefacts themselves are adjusted by applying the transformation rule to the correct workpiece geometry (to ideal-Vol-K or Sim-Vol-K), which means that the simulation data corrected with the transformation rule (ideal-Vol-K) directly to the corrected measurement volume data (Korr-Vol) or the difference between (Sim-Vol-K) and (Ideal-Vol-K) lead directly to the final correction data (real artifact). The transformation rule results in scaling, rotation, translation, shearing and thus shifting of the gray values in the artifact volume (Sim artifact) or the simulation volume data (Ideal-Vol) and possibly (Sim-Vol) in such a way that the deviations in the edge locations ( Gray value transitions) between simulation data and measured data can be corrected. The mentioned reassignment of the gray values is not necessarily source-free, especially with scaling operations, i.e. the sum of the gray values of a volume can be changed by the transformation rule.
Für den Fall, dass nicht die korrigierten Simulationsdaten (Ideal-Vol-K) direkt als korrigierte Messvolumendaten (Korr-Vol) verwendet werden sollen, werden im nächsten Schritt die endgültigen Korrekturdaten (Real-Artefakt) zur Korrektur der Volumendaten der realen Messung (Real-Vol) angewandt, vorzugsweise durch Differenzbildung oder Addition der Grauwerte der endgültigen Korrekturdaten (Real-Artefakt).In the event that the corrected simulation data (Ideal-Vol-K) are not to be used directly as corrected measurement volume data (Corr-Vol), in the next step the final correction data (real artifact) are used to correct the volume data of the real measurement (Real -Vol), preferably by subtracting or adding the gray values of the final correction data (real artifact).
Aus den so endgültig korrigierten Volumendaten (Korr-Vol) werden dann mittels Oberflächenbestimmung (auch als Segmentierung bezeichnet) die Oberflächendaten, also Oberflächenmesspunkte bestimmt, die vorzugsweise zur Bestimmung dimensioneller Maße am Werkstück verwendet werden. Die endgültig korrigierten Volumendaten können ebenso zur Bestimmung innenliegender Merkmale wie Einschlüsse oder Lunker des Werkstücks verwendet werden.From the volume data (Korr-Vol) finally corrected in this way, the surface data, that is to say surface measuring points, are then determined by means of surface determination (also referred to as segmentation), which are preferably used to determine dimensional dimensions on the workpiece. The finally corrected volume data can also be used to determine internal features such as inclusions or voids in the workpiece.
Die Erfindung sieht zur Lösung ein Verfahren zur Berechnung und Anwendung einer Korrektur (Real-Artefakt) für mittels Computertomografie ermittelter Messdaten (Real-Vol), wobei die Messdaten die von zu messendem Werkstück in mehreren Drehstellungen bei Durchstrahlung von einer Strahlungsquelle (Quelle), vorzugsweise Röntgenstrahlungsquelle, abgegebenen Messstrahlung, mittels eines Detektors, vorzugsweise 2D-Röntgendetektors, aufgenommenen Durchstrahlungsbilddaten und/oder aus den Durchstrahlungsbilddaten rekonstruierten Volumendaten und/oder aus den Volumendaten bestimmten Oberflächenpunktdaten umfassen, wobei für die Korrektur zunächst Simulationsdaten mit Berücksichtigung der zu korrigierenden physikalischen Effekte wie Artefakten bei der Computertomografie (Sim-Vol) und Simulationsdaten ohne diese Effekte (Ideal-Vol) berechnet werden, wobei als Eingangsdaten (CAD/STL) für die Simulationen Nominaldaten des Werkstücks, vorzugsweise CAD-Daten, oder STL-Daten einer Meisterteilmessung des Werkstücks verwendet werden, das sich durch folgende Schritte auszeichnet:
- - Berechnung einer Transformationsvorschrift (Verzeichnungs-MAP), die die Simulationsdaten mit Berücksichtigung der physikalischen Effekte (Sim-Vol) auf die Messdaten (Real-Vol) abbildet, und
- - A) Anwendung der Transformationsvorschrift
- ◯ auf vorläufige Korrekturdaten (Sim-Artefakt) zur Bestimmung der endgültigen Korrekturdaten (Real-Artefakt), wobei die vorläufigen Korrekturdaten (Sim-Artefakt) gebildet werden durch Differenzbildung zwischen Simulationsdaten mit Berücksichtigung der zu korrigierenden physikalischen Effekte (Sim-Vol) und Simulationsdaten ohne diese Effekte (Ideal-Vol), oder
- ◯ auf die Simulationsdaten mit Berücksichtigung der zu korrigierenden physikalischen Effekte (Sim-Vol) zur Bestimmung von korrigierten Simulationsdaten (Sim-Vol-K) und auf die Simulationsdaten ohne diese Effekte (Ideal-Vol) zur Bestimmung von korrigierten Simulationsdaten (Ideal-Vol-K), und Bestimmung der endgültigen Korrekturdaten (Real-Artefakt) durch Differenzbildung zwischen (Sim-Vol-K) und (Ideal-Vol-K), und Anwendung der endgültigen Korrekturdaten (Real-Artefakt) auf die Messdaten (Real-Vol) zur Bestimmung der korrigierten Messdaten (Korr-Vol) oder
- - B) Anwendung der Transformationsvorschrift auf die Simulationsdaten ohne Berücksichtigung der zu korrigierenden physikalischen Effekte (Ideal-Vol) zur Bestimmung der korrigierten Messdaten (Korr-Vol).
- - Calculation of a transformation rule (distortion MAP) which maps the simulation data to the measurement data (Real-Vol), taking into account the physical effects (Sim-Vol), and
- - A) Application of the transformation rule
- ◯ on preliminary correction data (sim artifact) to determine the final correction data (real artifact), the preliminary correction data (sim artifact) being formed by forming the difference between simulation data taking into account the physical effects to be corrected (Sim-Vol) and simulation data without these effects (ideal-vol), or
- ◯ on the simulation data taking into account the physical effects to be corrected (Sim-Vol) to determine corrected simulation data (Sim-Vol-K) and on the simulation data without these effects (Ideal-Vol) to determine corrected simulation data (Ideal-Vol-K) K), and determining the final correction data (real artifact) by calculating the difference between (Sim-Vol-K) and (Ideal-Vol-K), and applying the final correction data (real artifact) to the measurement data (Real-Vol) to determine the corrected measurement data (Korr-Vol) or
- - B) Application of the transformation rule to the simulation data without taking into account the physical effects to be corrected (Ideal-Vol) to determine the corrected measurement data (Corr-Vol).
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass alle aus der folgenden Aufzählung durchgeführten Schritte an den jeweiligen Durchstrahlungsbilddaten oder den jeweiligen Volumendaten oder den jeweiligen Oberflächenpunktdaten erfolgen:
- - Berechnung der Transformationsvorschrift (Verzeichnungs-MAP),
- - Differenzbildung zwischen den Simulationsdaten (Sim-Vol) und (Ideal-Vol),
- - Anwendung der Transformationsvorschrift auf die vorläufigen Korrekturdaten (Sim-Artefakt),
- - Anwendung der Transformationsvorschrift auf die Simulationsdaten (Sim-Vol) und/oder (Ideal-Vol),
- - Differenzbildung zwischen den korrigierten Simulationsdaten (Sim-Vol-K) und (Ideal-V ol- K),
- - Anwendung der endgültigen Korrekturdaten (Real-Artefakt) auf die Messdaten (Real-Vol) zur Bestimmung der korrigierten Messdaten (Korr-Vol)
- - Verwendung der korrigierten Simulationsdaten (Ideal-Vol-K) als korrigierte Messdaten (Korr-Vol).
- - Calculation of the transformation rule (distortion MAP),
- - Difference formation between the simulation data (Sim-Vol) and (Ideal-Vol),
- - Application of the transformation rule to the preliminary correction data (SIM artifact),
- - Application of the transformation rule to the simulation data (Sim-Vol) and / or (Ideal-Vol),
- - Difference between the corrected simulation data (Sim-Vol-K) and (Ideal-V ol-K),
- - Application of the final correction data (real artifact) to the measurement data (Real-Vol) to determine the corrected measurement data (Korr-Vol)
- - Use of the corrected simulation data (Ideal-Vol-K) as corrected measurement data (Korr-Vol).
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Anwendung der endgültigen Korrektur (Real-Artefakt) auf die Messdaten (Real-Vol) durch Abziehen oder Dazuaddieren der endgültigen Korrekturdaten (Real-Artefakt) erfolgt.It is preferably provided that the final correction (real artifact) is applied to the measurement data (real vol) by subtracting or adding the final correction data (real artifact).
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass die Transformationsvorschrift den Grauwerten der Volumendaten der Simulation mit Artefakten (Sim-Vol), Grauwerte der Volumendaten der Messdaten (Real-Vol) ortsabhängig zuordnet, und vorzugsweise verändert, beispielsweise in Form einer affinen Abbildung und/oder nicht affinen Abbildung und/oder eines Look up tables (LUT), wobei bevorzugterweise die Transformationsvorschrift durch die Umordnung der Grauwerte die Verlagerung der den Oberflächenübergängen zugeordneten Grauwertverläufen abbildet.It should also be emphasized that the transformation rule assigns the gray values of the volume data of the simulation with artifacts (Sim-Vol), gray values of the volume data of the measurement data (Real-Vol) as a function of location, and preferably changes them, for example in the form of an affine Mapping and / or non-affine mapping and / or a look up table (LUT), with the transformation rule preferably mapping the shift of the gray value progressions assigned to the surface transitions by rearranging the gray values.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Transformationsvorschrift bestimmt wird durch die Optimierung einer Kostenfunktion, wobei diese Kostenfunktion aus mehreren Einzeltermen, wie Gleichheitsmetriken und/oder Funktionen davon und/oder einengenden Randbedingungen besteht.In particular, the invention is characterized in that the transformation rule is determined by optimizing a cost function, this cost function consisting of several individual terms, such as equality metrics and / or functions thereof and / or restricting boundary conditions.
Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass die endgültig korrigierten Messdaten der Computertomografie (Korr-Vol) zur Bestimmung von Merkmalen im Werkstückinneren des Werkstücks, wie Einschlüssen oder Lunkern verwendet werden, indem die endgültig korrigierten Volumendaten ausgewertet werden und/oder zur Bestimmung von dimensionellen Maßen des Werkstücks verwendet werden, indem die Oberflächenpunktdaten ausgewertet werden.The invention is also characterized in that the finally corrected measurement data from computer tomography (Korr-Vol) are used to determine features inside the workpiece, such as inclusions or voids, by evaluating the finally corrected volume data and / or for determining dimensional data Dimensions of the workpiece can be used by evaluating the surface point data.
Nach einem besonders hervorzuhebenden Vorschlag ist vorgesehen, dass das Verfahren in einem als Koordinatenmessgerät ausgebildeten Computertomografen angewendet wird, der ausgebildet ist, Dimensionen an Werkstücken aus den Oberflächenpunktdaten zu bestimmen, also Oberflächenpunkte zu Maßen zu verknüpfen.According to a proposal to be particularly emphasized, it is provided that the method is used in a computer tomograph designed as a coordinate measuring machine, which is designed to determine dimensions on workpieces from the surface point data, that is to say to link surface points to dimensions.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Verbesserung der Qualität, insbesondere Auflösung und/oder Schärfe und/oder Kontrast von Bilddaten, welche mit bildgebenden Verfahren aufgenommen wurden.The invention also relates to a method for improving the quality, in particular resolution and / or sharpness and / or contrast, of image data which were recorded using imaging methods.
Die Verbesserung der Qualität insbesondere der Auflösung von mittels bildgebenden Verfahren aufgenommener Bilddaten erfolgt bei klinischen Computertomografieanwendungen durch das Schärfen von Röntgenbildern oder rekonstruierten Volumen mittels Convolutional Neural Networks (CNN), wobei es sich hierbei um sehr homogene Daten handelt. Im messtechnischen Bereich insbesondere in der Computertomografie für messtechnische Einsatzzwecke oder der Bildverarbeitung unter Verwendung von optischen Sensoren in der Koordinatenmesstechnik (optische Koordinatenmessgeräte) liegen jedoch sehr heterogene Daten vor. Die entsprechenden Optiken weisen eine sogenannte Point Spread Function (PSF) auf, die abhängig von diversen Aufnahmeparametern, wie beispielsweise Belichtungszeit, Beleuchtung oder Vergrößerung bei Optiken mit mehreren bzw. einstellbaren Vergrößerungen (bzw. Abbildungsmaßstäben), zu einer Verwaschung (Verunschärfung) in den Bilddaten führen. Die Verwaschungen sind neben der konkreten Aufnahmeoptik auch von dem jeweils zu messenden Werkstück abhängig. Hierbei besteht bei festgelegter Pixelanzahl der eingesetzten Kameras zur Bildgebung zudem die Herausforderung, dass nur entweder mit hoher Auflösung im kleinen Messfeld oder geringer Auflösung in großem Messfeld gemessen werden kann.The quality, in particular the resolution of image data recorded by means of imaging methods, is improved in clinical computed tomography applications by sharpening X-ray images or reconstructed volumes by means of convolutional neural networks (CNN), which are very homogeneous data. In the metrological field, especially in computed tomography for metrological purposes or image processing using optical sensors in coordinate measuring technology (optical coordinate measuring machines), however, very heterogeneous data are available. The corresponding optics have a so-called Point Spread Function (PSF), which, depending on various recording parameters, such as exposure time, lighting or magnification in optics with multiple or adjustable magnifications (or image scales), leads to blurring (blurring) in the image data to lead. The blurring depends not only on the actual recording optics but also on the workpiece to be measured. With a fixed number of pixels of the cameras used for imaging, there is also the challenge that measurements can only be made with either high resolution in a small measuring field or low resolution in a large measuring field.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die Qualität, insbesondere die Auflösung und/oder die Schärfe und/oder den Kontrast von mittels bildgebenden Verfahren aufgenommenen Bilddaten schnell und einfach zu verbessern. Insbesondere besteht die Aufgabe auch darin, die hohe Qualität eines Teilbereiches in den Bilddaten auf andere Teilbereiche der Bilddaten mit niedriger Qualität zu übertragen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Messzeit bei einer Computertomografie zu verringern und gleichzeitig hoch qualitative, insbesondere hoch aufgelöste und/oder kontrastreiche Ergebnisse in allen Bereichen der Bilddaten zu erzielen, die sonst nur bei höherer Messzeit oder anderen Spektren des Messstrahlung erreicht werden.A further object of the present invention is therefore to improve the quality, in particular the resolution and / or the sharpness and / or the contrast, of image data recorded by means of imaging methods, quickly and easily. In particular, the task is also to transfer the high quality of a sub-area in the image data to other sub-areas of the image data with low quality. Another object of the invention is to reduce the measurement time in a computer tomography and at the same time to achieve high-quality, in particular high-resolution and / or high-contrast results in all areas of the image data that are otherwise only achieved with a longer measurement time or other spectra of the measurement radiation.
In einer besonderen Aufgabe der Erfindung soll die Kombination der jeweiligen Vorteile von Messungen mit hoher und niedriger Qualität realisiert werden. Insbesondere soll eine Korrektur der Bilddaten für eine spezifische PSF einer Optik des jeweils genutzten Inspektions- bzw. Koordinatenmessgerätes und/oder für ein bestimmtes zu messendes Werkstück erfolgen.In a particular object of the invention, the combination of the respective advantages of measurements with high and low quality is to be realized. In particular, the image data should be corrected for a specific PSF of an optical system of the inspection or coordinate measuring device used and / or for a specific workpiece to be measured.
Zur Lösung sieht die Erfindung daher auch vor, dass mittels eines Korrekturalgorithmus Bilddaten niedriger Qualität zumindest bereichsweise in Bilddaten hoher Qualität umgerechnet werden. Der Korrekturalgorithmus basiert dabei auf einem erlernten Zusammenhang zwischen den Bilddaten niedriger und hoher Qualität (sogenannten Bildpaaren). Zur Ermittlung des Zusammenhangs werden Bilddaten hoher und niedriger Qualität, der zumindest bereichsweise identischen Szene oder Ausschnitten dieser (Bildpaare), aufgenommen. Für die Bereiche, in denen hoch und niedrig aufgelöste Daten überlappend vorliegen, erfolgt ein Training mittels eines Maschinenlernverfahrens (KI) wie künstlichen neuronalen Netzes, wobei ein Korrekturalgorithmus erlernt wird, der bei realen Messungen zur Korrektur der Bereiche der Bilddaten verwendet wird, in denen nur Bilddaten niedriger Qualität vorliegen, um diese in Bilddaten hoher Qualität umzurechnen. Diese Aufgabe wird durch die KI gelöst.As a solution, the invention therefore also provides that image data of low quality are converted into image data of high quality, at least in some areas, by means of a correction algorithm. The correction algorithm is based on a learned relationship between the image data of low and high quality (so-called image pairs). To determine the relationship, image data of high and low quality, of the scenes that are at least regionally identical, or of excerpts of these (image pairs), are recorded. For the areas in which high and low resolution data overlap, training is carried out using a machine learning process (AI) such as an artificial neural network, whereby a correction algorithm is learned that is used in real measurements to correct the areas of the image data in which only Image data of low quality are present in order to convert them into image data of high quality. This task is solved by the AI.
In einer ersten Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, dass als bildgebendes Verfahren ein Bildverarbeitungsverfahren mittels eines optischen Sensors in einem Koordinatenmessgerät angewendet wird. Bei dem entsprechenden optischen Sensor kann es sich beispielsweise um eine Zoom-Optik handeln oder um einen optischen Sensor mit zwei Abbildungsstrahlengängen, die einen kleinen Bereich des Werkstücks mit hoher Auflösung bzw. Qualität (großer Abbildungsmaßstab) und einen großen Bereich des Werkstücks mit geringerer Qualität (geringer Abbildungsmaßstab) beispielsweise durch eine gemeinsame Frontobjektiv erfassen, wobei die beiden Bereiche mittig zueinander ausgerichtet sind, sich also in einem mittigen Bereich überlagern, wie dies beispielsweise in der
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung betrifft ein computertomografisches Verfahren. Hierbei werden Durchstrahlungsbilder in mehreren Drehstellungen bei langen Belichtungszeiten aufgenommen, wobei Daten hoher Qualität entstehen, und erneut Durchstrahlungsbilder bei jeweils geringer Bildaufnahmezeit je Drehstellung, wobei Daten niedriger Qualität entstehen. Mit diesen beiden Bilddatensätzen wird ein entsprechendes neuronales Netz trainiert. Bei der späteren Messung reicht die Aufnahme mit geringer Aufnahmezeit, also niedriger Qualität, um nach Anwendung des neuronalen Netzes Bilddaten hoher Qualität zu generieren. Auf diese Weise kann die Messzeit reduziert werden.A second embodiment of the invention relates to a computer tomographic method. Here, radiographic images are recorded in several rotary positions with long exposure times, with high quality data being produced, and again radiographic images with a short picture recording time for each rotary position, with low-quality data being produced. A corresponding neural network is trained with these two image data sets. In the later measurement, the recording with a short recording time, i.e. low quality, is sufficient to generate high quality image data after the application of the neural network. In this way, the measurement time can be reduced.
In einer besonderen Ausgestaltung dieser Idee ist vorgesehen, dass während der realen computertomografischen Messung, in zumindest einigen Drehstellungen, Bildpaare mit niedriger und zusätzlich auch hoher Qualität, also kurzer und langer Belichtungszeit aufgenommen werden, um diese zusätzlich für das Training des neuronalen Netzes zu verwenden. Hierdurch erfolgt eine Anpassung des Netzes an das jeweils konkrete Werkstück und/oder den jeweils konkreten Computertomografen in Bezug aus dessen spezifische Parameter.In a special embodiment of this idea, it is provided that during the real computed tomographic measurement, in at least some rotational positions, image pairs with low and additionally also high quality, i.e. short and long exposure times, are recorded in order to use them additionally for training the neural network. As a result, the network is adapted to the specific workpiece and / or the specific computer tomograph in relation to its specific parameters.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Anwendung für ein Computertomografieverfahren vorgesehen, bei dem das gleiche Werkstück zunächst in zwei Messungen mit unterschiedlicher Belichtung erfasst wird. In einer ersten Messung mit einem kleinen Brennfleck, insbesondere geringer Leistung, also geringerer Spannung und/oder geringem Strom der Röntgenröhre erfolgt eine Messung mit hoher Auflösung, wobei durch die geringe Leistung unter Umständen nur Teilbereiche des Werkstücks kontrastreich durchstrahlt werden können. In einer zweiten Messung wird ein großer Brennfleck und hohe Leistung verwendet, wobei jedoch geringere Auflösung bzw. geringere Qualität vorliegt, dafür aber auch schwerer zu durchstrahlende Bereiche kontrastreich durchstrahlt werden. Für das Training eines neuronalen Netzes werden nun die Bereiche in den Bilddaten (Durchstrahlungsbildern) herangezogen, die in beiden Messungen kontrastreich durchstrahlt sind. Mit einem so trainierten Netzwerk lassen sich auch die Bereiche der restlichen Bilddaten korrigieren, für die eine kontrastreiche Abbildung nicht möglich war, weil entsprechende Bilder zu dunkel oder zu hell aufgenommen wurden.In a further embodiment of the invention, use is provided for a computed tomography method in which the same workpiece is first recorded in two measurements with different exposure. In a first measurement with a small focal point, in particular low power, i.e. lower voltage and / or low current of the x-ray tube, a measurement is carried out with high resolution, with the low power under certain circumstances only allowing partial areas of the workpiece to be irradiated with high contrast. In a second measurement, a large focal spot and high power are used, although the resolution or quality is lower, but areas that are difficult to penetrate are also penetrated with high contrast. For the training of a neural network, the areas in the image data (radiographs) are now used that are irradiated with high contrast in both measurements. With a network trained in this way, it is also possible to correct the areas of the remaining image data for which a high-contrast image was not possible because the corresponding images were recorded too dark or too light.
Das Training eines neuronalen Netzwerks bedeutet die Optimierung der neuronalen Parameter (Gewichte und Biase) zur Lösung eines Problems.Training a neural network means optimizing neural parameters (weights and biases) to solve a problem.
Als betriebsfertiges trainiertes Netz wird bezeichnet ein neuronales Netz, dessen Variablen bzw. neuronalen Parameter (Gewichte und Biase) derart optimiert wurden, dass für ein beliebiges Messobjekt die gewünschte Optimierung (zum Beispiel Scharfrechnen von Bildern) von hinreichender Qualität erreicht wird.A ready-to-use trained network is a neural network whose variables or neural parameters (weights and biases) have been optimized in such a way that the desired optimization (e.g. sharpness calculation of images) of sufficient quality is achieved for any measurement object.
Ein vortrainiertes Netz ist ein neuronales Netz, dessen variablen bzw. neuronalen Parameter (Gewichte und Biase) schon für eine Aufgabe (z. B. Scharfrechnen von Bildern) grob optimiert wurde, diese Optimierung aber verglichen mit dem betriebsfertig trainierten Netz nicht spezialisiert genug ist und deshalb nicht direkt als Korrekturalgorithmus anwendbar ist.A pre-trained network is a neural network whose variable or neural parameters (weights and biases) have already been roughly optimized for a task (e.g. sharp calculation of images), but this optimization is not specialized enough compared to the ready-to-use trained network therefore cannot be used directly as a correction algorithm.
Ein untrainiertes neuronales Netz ist ein neuronales Netz, dessen Variablen bzw. neuronalen Parameter (Gewichte und Biase) zufällig bzw. ohne eine spezifische Aufgabe lösen zu können initialisiert werden.An untrained neural network is a neural network whose variables or neural parameters (weights and biases) are initialized randomly or without being able to solve a specific task.
Die Erfindung sieht zur Lösung ein Verfahren zur Korrektur von mit einer bildgebenden Vorrichtung, wie beispielsweise optischem Sensor, vorzugsweise optischem Sensor in einem Koordinatenmessgerät, oder durchstrahlungsbasiertem Inspektions- und/oder Messgerät, insbesondere Computertomografen, aufgenommenen Bilddaten eines Werkstücks vor, wobei die Bilddaten durch die bildgebende Vorrichtung in zumindest einer ersten Qualität (niedrige Qualität), wie erster Auflösung (niedrige Auflösung) oder erster Schärfe (niedrige Schärfe) generiert werden, das sich dadurch auszeichnet, dass mittels eines Korrekturalgorithmus die Bilddaten niedriger Qualität zumindest bereichsweise in Bilddaten hoher Qualität, vorzugsweise hoher Auflösung (hohe Auflösung) und/oder hoher Schärfe (hohe Schärfe), umgerechnet werden, wobei der Korrekturalgorithmus auf einem erlernten Zusammenhang zwischen Bilddaten niedriger Qualität und Bilddaten hoher Qualität basiert, und wobei dem Korrekturalgorithmus zum Erlernen des Zusammenhangs Bilddaten hoher und niedriger Qualität (Bildpaare) einer identischen Szene oder mehrerer jeweils identischer Szenen zumindest eines Ausschnitts des zu messenden Werkstücks und/oder anderer Werkstücke gleicher oder unterschiedlicher Gestalt in Bezug auf das zu messende Werkstückst zur Verfügung gestellt werden.To solve this, the invention provides a method for correcting image data of a workpiece recorded with an imaging device, such as an optical sensor, preferably an optical sensor in a coordinate measuring machine, or a radiation-based inspection and / or measuring machine, in particular a computer tomograph, the image data being transmitted through the imaging device can be generated in at least a first quality (low quality), such as first resolution (low resolution) or first sharpness (low sharpness), which is characterized in that, by means of a correction algorithm, the low quality image data is at least partially in Image data of high quality, preferably high resolution (high resolution) and / or high sharpness (high sharpness), are converted, the correction algorithm being based on a learned relationship between image data of low quality and image data of high quality, and the correction algorithm for learning the relationship between image data high and low quality (image pairs) of an identical scene or several identical scenes of at least one section of the workpiece to be measured and / or other workpieces of the same or different shape in relation to the workpiece to be measured are made available.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Bilddaten niedriger Qualität aufgenommen werden in einer ersten Betriebsart der Vorrichtung, beispielsweise bei im Vergleich zu einer zweiten Betriebsart
- - geringerem Abbildungsmaßstab einer Optik und/oder
- - geringerem Abbildungsmaßstab des Computertomografen und/oder
- - Bildaufnahme während der Bewegung der Messachsen des den optischen Sensor beinhaltenden Koordinatenmessgeräts und/oder
- - Bildaufnahmen während der Drehbewegung des Drehtisches des Computertomografen und/oder
- - Bildaufnahmen mit erster Belichtung mit dem Computertomografen, wie erster Spannung und/oder Strom und/oder Leistung und/oder Spektrum und/oder Belichtungszeit je Bild und/oder Anzahl der Bildüberlagerungen je Bild und/oder
- - ersten Messmodus des Computertomografen, wie Kegelstrahltomografie und die Bilddaten hoher Qualität in einer zweiten Betriebsart mit der identischen Vorrichtung oder einer anderen Vorrichtung, mit vorzugsweise ansonsten gleichen Abbildungseigenschaften wie der Vorrichtung, deren Bilddaten zu korrigieren sind, aufgenommen werden, beispielsweise bei im Vergleich zur ersten Betriebsart
- - größerem Abbildungsmaßstab einer Optik und/oder
- - größerem Abbildungsmaßstab des Computertomografen und/oder
- - Bildaufnahme während des Stillstandes der Messachsen des den optischen Sensor beinhaltenden Koordinatenmessgeräts und/oder
- - Bildaufnahmen während des Stillstandes der Drehbewegung des Drehtisches des Computertomografen und/oder
- - Bildaufnahmen mit zweiter Belichtung mit dem Computertomografen, wie zweiter Spannung und/oder Strom und/oder Leistung und/oder Spektrum und/oder Belichtungszeit je Bild und/oder Anzahl der Bildüberlagerungen je Bild und/oder
- - zweitem Messmodus des Computertomografen, wie Helixtomografie.
- - lower image scale of an optics and / or
- - lower image scale of the computer tomograph and / or
- - Image recording during the movement of the measuring axes of the coordinate measuring device containing the optical sensor and / or
- - Image recordings during the rotary movement of the turntable of the computer tomograph and / or
- - Image recordings with the first exposure with the computer tomograph, such as the first voltage and / or current and / or power and / or spectrum and / or exposure time per image and / or number of image overlays per image and / or
- - First measurement mode of the computed tomography, such as cone beam tomography and the high quality image data are recorded in a second operating mode with the identical device or another device, preferably with otherwise the same imaging properties as the device whose image data are to be corrected, for example when compared to the first Operating mode
- - Larger image scale of an optics and / or
- - Larger image scale of the computer tomograph and / or
- - Image recording during the standstill of the measuring axes of the coordinate measuring device containing the optical sensor and / or
- - Image recordings during the standstill of the rotary movement of the turntable of the computer tomograph and / or
- - Image recordings with second exposure with the computer tomograph, such as second voltage and / or current and / or power and / or spectrum and / or exposure time per image and / or number of image overlays per image and / or
- - Second measurement mode of the computer tomograph, such as helix tomography.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass Bilddaten niedriger Qualität in einer ersten Betriebsart der Vorrichtung und Bilddaten hoher Qualität in einer zweiten Betriebsart der identischen Vorrichtung aufgenommen werden, insbesondere wobei die beiden Betriebsarten unterschiedliche Belichtungen und/oder Spektren mit einem Computertomografen aufweisen oder wobei die beiden Betriebsarten unterschiedliche optische Vergrößerungen in einem optischen Sensor aufweisen.It is preferably provided that image data of low quality are recorded in a first operating mode of the device and image data of high quality in a second operating mode of the identical device, in particular with the two operating modes having different exposures and / or spectra with a computer tomograph or with the two operating modes different optical Have magnifications in an optical sensor.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass die Bilddaten niedriger und hoher Qualität (Bildpaare) sich zumindest teilweise örtlich überlagern, wobei identischen Bereichen zugeordnete Bilddaten für das Erlernen des Zusammenhangs genutzt werden.It should also be emphasized that the image data of low and high quality (image pairs) are at least partially superimposed locally, with image data assigned to identical areas being used for learning the relationship.
Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass der Korrekturalgorithmus zur Umrechnung von Bilddaten niedriger Qualität in Bilddaten hoher Qualität selbstlernend erzeugt und umgesetzt wird durch ein Maschinenlernverfahren (KI), wie künstliches neuronales Netz (Netz), bevorzugt faltungsbasiertes neuronales Netz (Convolutional Neural Networks CNN), besonders bevorzugt U-Net und/oder Residual Neural Network (ResNet) oder Generative Adversarial Network (GAN), wobei Bilddaten niedriger Qualität als Eingangsdaten für das Training des Netzes und bei Anwendung des Netzes verwendet werden, und wobei Bilddaten hoher Qualität als Zieldaten beim Training des Netzes bzw. als Ausgangsdaten bei Anwendung des Netzes verwendet werden.The invention is also characterized in that the correction algorithm for converting image data of low quality into image data of high quality is generated and implemented in a self-learning manner using a machine learning method (KI), such as an artificial neural network (network), preferably a convolutional neural network (CNN) ), particularly preferably U-Net and / or Residual Neural Network (ResNet) or Generative Adversarial Network (GAN), with low-quality image data being used as input data for training the network and when using the network, and with high-quality image data as target data when training the network or as output data when using the network.
Nach einem besonders hervorzuhebenden Vorschlag ist vorgesehen, dass als Korrekturalgorithmus angewendet wird ein betriebsfertig trainiertes Netz oder ein vortrainiertes Netz mit zusätzlichem Training aus Teildaten einer Messung des Werkstücks und anschließender Anwendung des Netzes auf die Bilddaten niedriger Qualität.According to a suggestion that should be particularly emphasized, it is provided that the correction algorithm used is an operationally trained network or a pre-trained network with additional training from partial data from a measurement of the workpiece and subsequent application of the network to the low-quality image data.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass für das Training des Netzes Bilddaten hoher Qualität und Bilddaten niedriger Qualität (Bildpaare), insbesondere niedriger Auflösung, unter Verwendung der spezifischen Optik oder einer anderen Optik mit den spezifischen Aufnahmeparametern die für die eigentliche Optik vorgesehen sind, verwendet werden, um die Optimierung des Korrekturalgorithmus auf die Point Spread Function (PSF) der jeweils spezifischen Optik und/oder auf die spezifischen Aufnahmeparameter in Bezug auf Verunschärfungen in den Bilddaten niedriger Qualität zu bewirken, vorzugsweise wobei hierfür die Anwendung eines betriebsfertig trainierten Netzes erfolgt, welches auf eine bestimmte Messaufgabe bzw. Optik optimiert wurde oder die Verwendung eines vortrainierten Netzes mit zusätzlichem Training auf die Bilddaten mit der spezifischen Optik.In particular, the invention is characterized in that, for the training of the network, image data of high quality and image data of low quality (image pairs), in particular low resolution, using the specific optics or other optics with the specific recording parameters that are provided for the actual optics, be used to optimize the correction algorithm on the Point Spread Function (PSF) of the specific optics and / or on the to effect specific recording parameters with regard to blurring in the image data of low quality, preferably with the application of a ready-to-use trained network that has been optimized for a specific measurement task or optics or the use of a pre-trained network with additional training on the image data with the specific Optics.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass für das Training des Netzes Bilddaten hoher und niedriger Qualität (Bildpaare), insbesondere hoher und niedriger Auflösung aus Messung eines spezifischen Werkstücks verwendet werden, wobei die Optimierung des Korrekturalgorithmus auf die spezifische Messung dieses Werkstücks bewirkt wird, und wobei vorzugsweise hierfür die Verwendung eines vortrainierten Netzes mit zusätzlichem Training auf Teildatensets der Bilddaten des Werkstücks vorgesehen ist.It is preferably provided that high and low quality image data (image pairs), in particular high and low resolution from measurement of a specific workpiece, are used for training the network, with the optimization of the correction algorithm being effected on the specific measurement of this workpiece, and preferably for this purpose the use of a pre-trained network with additional training on partial data sets of the image data of the workpiece is provided.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass Bilddaten hoher und niedriger Qualität (Bildpaare), insbesondere hoher und niedriger Auflösung oder hohen und niedrigen Kontrastes, zu resultierenden Bilddaten kombiniert werden, die die hohe Qualität aufweisen, wobei.
- - das Rauschen minimiert, vorzugsweise auf das Rauschen der Bilddaten hoher Qualität minimiert ist und/oder
- - das Messfeld maximiert, vorzugsweise auf die Größe des Messfelds der Bilddaten niedriger Qualität maximiert ist und/oder
- - unter Verwendung erster und zweiter Belichtungen und/oder Spektren die Durchstrahlung des Werksrücks optimiert, vorzugsweise auf kontrastreiche Bilddaten optimiert wird und/oder
- - die Messzeit bei gegebener Verbesserung der Bildqualität minimiert wird.
- the noise is minimized, preferably minimized to the noise of the high quality image data, and / or
- - the measurement field is maximized, preferably maximized to the size of the measurement field of the image data of low quality and / or
- - Using first and second exposures and / or spectra, the irradiation of the back of the work is optimized, preferably optimized for high-contrast image data and / or
- - The measurement time is minimized with a given improvement in the image quality.
Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass die Anwendung des Korrekturalgorithmus auf beliebige Bereiche der Bilddaten niedriger Qualität, insbesondere Bereiche für die keine Überlappung mit den Bilddaten hoher Qualität vorliegt, erfolgt.The invention is also characterized in that the correction algorithm is applied to any areas of the image data of low quality, in particular areas for which there is no overlap with the image data of high quality.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Korrektur von Bilddaten niedriger Qualität außerhalb des Bereiches erfolgt, in dem ein Training den Bilddaten hoher Qualität stattgefunden hat, vorzugsweise das Training in einem mittigen Bereich der Bilddaten stattgefunden hat und der Korrekturalgorithmus auf einen außerhalb des mittigen Bereichs liegenden Bereich der Bilddaten angewendet wird.In particular, the invention is characterized in that the correction of image data of low quality takes place outside the area in which training of the image data of high quality took place, preferably the training took place in a central area of the image data and the correction algorithm in an area outside the central one Area lying area of the image data is applied.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination - sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren.Further details, advantages and features of the invention emerge not only from the claims, the features to be derived from them - individually and / or in combination - but also from the following description of the figures.
Es zeigen:
-
1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Bestimmung der CT-Geometrie, -
2 eine Prinzipdarstellung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Korrekturverfahrens für Artefakte bei einer Computertomografie, -
3 eine Prinzipdarstellung des Ablaufs eines alternativen erfindungsgemäßen Korrekturverfahrens für Artefakte bei einer Computertomografie, -
4 eine Prinzipdarstellung des Ablaufs eines alternativen verkürzten erfindungsgemäßen Korrekturverfahrens für Artefakte bei einer Computertomografie und -
5 eine Prinzipdarstellung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbesserung der Qualität, insbesondere Auflösung von Bilddaten eines bildgebenden Verfahrens.
-
1 a schematic diagram of the arrangement according to the invention for determining the CT geometry, -
2 a schematic representation of the sequence of a correction method according to the invention for artifacts in a computer tomography, -
3 a schematic representation of the sequence of an alternative correction method according to the invention for artifacts in a computer tomography, -
4th a schematic representation of the sequence of an alternative shortened correction method according to the invention for artifacts in a computer tomography and -
5 a basic representation of the sequence of a method according to the invention for improving the quality, in particular the resolution of image data of an imaging method.
Bei dieser beispielhaften Ausgestaltung werden nur Bewegungen bzw. Positionen der Komponenten zueinander in der X-Richtung und in der Z-Richtung ermittelt. Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, entsprechende Anordnungen für die Erfassung in der Y-Richtung vorzusehen, besonders bevorzugt die Bewegung des Drehtischs
Diese beispielhafte Ausgestaltung beschreibt eine erste Alternative, bei der die Sender
Vorteilhaft werden die Sender
In der
Die mit „scharf‟ bzw. „unscharf‟ bezeichneten Datensätze stehen beispielhaft stellvertretend für Bilddaten hoher Qualität („scharf‟) bzw. niedriger Qualität („unscharf‟). Bei der „Optik 1“ kann es sich um einen optischen Sensor eines bildgebenden Verfahrens handeln, genauso gut aber auch um eine Strahlungsquelle-Detektor-Kombination eines Computertomografen. Der „Datensatz A“ in 402 kann ein beliebiger Bilddatensatz an einem beliebigen Trainingsobjekt aufgenommen mit einem beliebigen bildgebenden Sensor sein, anhand dessen die KI lernt, unscharfe Daten in scharfe Daten umzurechnen. Die unscharfen Daten können dabei auf vielfältige Weise erzeugt werden. Beispielsweise können die scharfen Daten tiefpaßgefiltert werden. Auch möglich ist, die unscharfen Daten durch Änderung der Vergrößerung der Optik zu erzeugen. Im Falle einer Computertomografie können die unscharfen Daten durch Aufnahme in der Drehbewegung anstatt im Stillstand erzeugt werden oder durch verringerte bzw. veränderte Belichtung (verringerte Belichtungszeit, verringerte Anzahl der Bildmittelungen, verringerte Strahlleistung oder verändertes Spektrum der Strahlquelle). Das optional zusätzliche Training
Dieses Training
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- DE 102013107745 [0047]DE 102013107745 [0047]
- DE 102019118321 [0070, 0099]DE 102019118321 [0070, 0099]
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2020
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