DE102020216419A1

DE102020216419A1 - Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur

Info

Publication number: DE102020216419A1
Application number: DE102020216419.3A
Authority: DE
Inventors: Daniel Plohmann
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2022-07-14
Anticipated expiration: 2040-12-22
Also published as: DE102020216419B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur für ein optisches System (112) eines optischen Koordinatenmessgeräts (114) vorgeschlagen, wobei das optische System (112) mindestens ein Objektiv (116) und mindestens eine Kamera (118) umfasst. Das optische System (112) ist eingerichtet, an einer Mehrzahl von Fokusebenen (120) zu fokussieren. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:a) Aufnehmen mindestens eines Bildstapels mindestens eines Musters (124) umfassend eine Mehrzahl von Musterelementen (126) mit der Kamera (118), wobei der Bildstapel eine Mehrzahl von Bildern (128) an verschiedenen Fokusebenen (120) umfasst;b) Identifizieren von Musterelementen (126) in den Bildern (128) und Zuordnen der identifizierten Musterelemente (126) zwischen den Bildern (128) mit mindestens einer Prozessoreinheit (134);c) Bestimmen mindestens eines Korrekturzentrums (132) mit der Prozessoreinheit (134);d) Bestimmen der Astigmatismuskorrektur mit der Prozessoreinheit (134), wobei eine Mehrzahl von zweiten interessierenden Bereichen (142) um das jeweilige identifizierte Musterelement (126) in den Bildern (128) des Bildstapels bestimmt wird, wobei für die zweiten interessierenden Bereiche (142) unter Verwendung des Bildstapels Fokuspositionen (138) bestimmt werden, wobei für die zweiten interessierenden Bereiche (142) jeweils eine Lageposition (144) relativ zu dem Korrekturzentrum (132) bestimmt wird, wobei für die zweiten interessierenden Bereiche (142) jeweils mindestens ein Winkelanteil (146) relativ zu dem Korrekturzentrum (132) bestimmt wird, wobei die zweiten interessierenden Bereiche (142) für das jeweilige identifizierte Musterelement (126) zu einer Bildregion (148) mit bekannter Lageposition (144) zusammengefasst werden, wobei für jede Bildregion (148) eine Abhängigkeit der Fokusposition (138) von den Astigmatismusanteilen (146) der Bildregion (148) eine Mehrzahl von möglichen Astigmatismuskorrekturen in Form von möglichen Fokuspositionen (138) bestimmt wird, durch Bestimmen einer Abhängigkeit der Fokusposition (138) von dem Winkelanteil der Bildregion (148) für jede Bildregion.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismukorrektur für ein optisches System eines optischen Koordinatenmessgeräts, ein Verfahren zur Korrektur eines Astigmatismus eines optischen Systems eines optischen Koordinatenmessgeräts und ein optisches Koordinatenmessgerät. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der optischen Messtechnik, insbesondere zur berührungslosen Vermessung von Bauteilen.
Technischer Hintergrund
Die optische Vermessung von Bauteilen kommt bei Vermessungen von Bauteilen unterschiedlicher Art und Größe zum Einsatz, in portablen ebenso wie in standortfesten Messgeräten. In der Regel sollen bei der optischen Vermessung von Bauteilen die Koordinaten eines Messpunktes im Raum bestimmt werden. Durch die Bestimmung einer Mehrzahl vorgegebener Messpunkte entsprechend einer Gestalt des zu vermessenden Bauteils kann beispielsweise überprüft werden, ob die tatsächliche Gestalt den Vorgaben entspricht.
Beim Einsatz optischer Messtechnik können unter anderem Abweichungen von der idealen optischen Abbildung, wie sie beispielsweise durch Abbildungsfehler wie Astigmatismus entstehen, die Genauigkeit der Messung begrenzen oder beeinflussen. Bekannt sind unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren zur Korrektur von Messfehlern aufgrund von Abbildungsfehlern.
Generell können bei optischen Koordinatenmessgeräten, im Folgenden auch als Messmaschine bezeichnet, Koordinaten eines Messpunkts wie folgt bestimmt werden: Zunächst erfolgt eine Aufnahme eines Messbildes, wobei eine Bildebene in einer XY-Ebene der Messmaschine liegt. Bildverarbeitungsalgorithmen können verwendet werden zur Bestimmung der Lage des Messpunkts in Kamerakoordinaten. Durch Korrekturen und Kalibrierung der Kameraeigenschaften kann der Messpunkt aus Kamerakoordinaten (in Pixeln) in Raumkoordinaten der Messmaschine umgerechnet werden. Damit ist die X und Y Koordinate des Messpunkts bestimmt. Die Z- Koordinate kann bei optischen Koordinatenmessgeräten beispielsweise durch einen Autofokus bestimmt werden. Die Genauigkeit der Z-Bestimmung hängt von vielen Faktoren ab, wie beispielsweise Qualität der Bilder, verwendete Algorithmen, Korrekturen, und ähnlichem. Um möglichst hohe Autofokus-Genauigkeiten zu erreichen müssen auch die optischen Fehler des Objektivs korrigiert werden. Oft sind die optischen Fehler abhängig von der Entfernung des Messortes von der optischen Achse. Vor allem aufgrund von Astigmatismus hängt die Genauigkeit des Autofokus auch vom Messobjekt selbst ab, genauer von der Orientierung der gemessenen Struktur im Kamerabild.
Bei einem idealen Objektiv wird eine Ebene aus dem Objektraum scharf auf einen Kamera-Chip abgebildet. Damit ist egal auf welchen Punkt im Bild das Objektiv scharf gestellt wird - der Abstand zum Objektiv ist immer der gleiche und die Z-Koordinate zum Messpunkt kann einfach zugewiesen werden. In der Realität treten durch Restfehler im Optikdesign oder Fertigungstoleranzen Abbildungsfehler auf. Diese haben zum Teil zur Folge, dass die Annahme einer Schärfeebene falsch ist. Je nach Ort im Sichtfeld wird auf einen anderen Abstand zum Objektiv fokussiert. Bei vorhandenem Astigmatismus hängt dieser Abstand zudem noch von der Struktur der zu messenden Oberfläche beispielsweise von der Kantenlage relativ zur optischen Achse ab.
Astigmatismus bei einem optischen System kann zur Folge haben, dass je nach Lage im Bildfeld und Struktur der zu fokussierenden Fläche ein anderer Abstandswert bei einer Autofokusmessung ermittelt wird. Nach Theorie ist der Astigmatismus ein radialsymmetrisches Phänomen ausgehend von der optischen Achse.
US 7 724 942 B2 beschreibt ein Kalibrationsmuster für ein Verfahren zur Bereitstellung von Kalibrationsdaten bezüglich Fehlern in der z-Höhe eines optischen Systems eines maschinellen Sichtinspektionssystems.
US 8 311 311 B2 und US 8 534 113 B2 und beschreiben Systeme und Verfahren zum Korrigieren von Oberflächen-Höhenmessungen für eine optische Abweichung. Höhen, die durch ein Autofokus-Werkzeug bestimmte werden, welche von Oberflächenmerkmalswinkeln in einem Fokus-Bereich von Interesse (ROI) und von der ROI-Stelle in dem Gesichtsfeld abhängen können, werden auf Grundlage einer neuen Fehlerkalibrierung korrigiert.
Aufgabe der Erfindung
Es wäre daher wünschenswert, ein Verfahren und ein Koordinatenmessgerät bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll ein Verfahren und ein Koordinatenmessgerät bereitgestellt werden, welche die Genauigkeit bei Autofokusmessungen erhöhen.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird adressiert durch ein Verfahren und ein Koordinatenmessgerät mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur für ein optisches System eines optischen Koordinatenmessgeräts vorgeschlagen.
Der Begriff „System“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Vorrichtung umfassend eine Mehrzahl von Komponenten oder Elementen beziehen, welche zumindest teilweise zusammenwirken, um mindestens eine Funktion zu erfüllen. Der Begriff „optisches System“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Vorrichtung zur Erzeugung mindestens einer optischen Abbildung beziehen. Das optische System kann eine optische Achse aufweisen, welche im Folgenden als z-Achse bezeichnet werden soll. Der Ursprung der z-Achse kann in einem Objektiv des optischen Systems liegen. Eine z-Koordinate eines Objekts oder eines Punkts kann insbesondere als Abstandskoordinate oder Abstandswert bezeichnet werden, welche einen Abstand des Objektes oder Punktes zu dem optischen System, insbesondere dem Objektiv, angibt. Eine x-Achse und eine y-Achse können entsprechend der Verwendung eines karthesischen Koordinatensystems jeweils senkrecht auf der z-Achse und senkrecht aufeinander stehen.
Der Begriff „optisches Koordinatenmessgerät“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Vorrichtung beziehen, welche eingerichtet ist, mindestens eine Koordinate eines Messobjekts unter Verwendung mindestens einer optischen Messmethode bestimmen. Das optische Koordinatenmessgerät kann ein berührungslos messendes Koordinatensystem sein. Das optische Koordinatenmessgerät weist das mindestens eine optische System auf und kann eingerichtet sein, die Koordinate des Messgeräts unter Erzeugen mindestens einer optischen Abbildung zu bestimmen. Das Koordinatenmessgerät kann ortsfest sein und beispielsweise mindestens einen Messtisch mit mindestens einer Auflagefläche zur Auflage des Messobjektes umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem Koordinatenmessgerät auch um eine portable Vorrichtung handeln.
Der Begriff „Astigmatismuskorrektur“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine beliebige Kalibration und/oder Korrektur eines Einflusses und/oder einer Auswirkung und/oder Effektes von Astigmatismus auf einen Wert und/oder eine Messgröße, insbesondere auf einen Abstandswert oder eine Fokusposition, beziehen. Der Wert oder die Größe können aufgrund eines Astigmatismus des optischen Systems zunächst fehlerbehaftet oder ungenau vorliegen. Beispielsweise kann durch die Korrektur eine Annäherung an den tatsächlichen Wert erfolgen oder der tatsächliche Wert bestimmt werden. Der Fehler oder die Ungenauigkeit können insbesondere auf einem Abbildungsfehler von von einer optischen Achse des optischen Systems abweichend einfallenden Strahlen beruhen. Auch andere oder weitere optische Effekte und Abbildungsfehler können einen Einfluss auf den Wert oder die Messgröße, insbesondere den Abstandswert oder die Fokusposition, haben und zu dem Fehler oder der Ungenauigkeit des Werts oder der Messgröße beitragen. Die Astigmatismuskorrektur kann geeignet sein auch sich überlagernde Fehlerbeiträge unterschiedlichen Ursprungs korrigieren. Insbesondere umfasst die Astigmatismuskorrektur die Korrektur des reinen Astigmatismusbeitrags zu dem Fehler und kann zusätzlich weitere sich überlagernde Fehlerbeiträge unterschiedlichen Ursprungs korrigieren. Das erfindungsgemäße Verfahren kann die reinen Astigmatismus-Beiträge zur strukturabhängigen Fokuslage erfassen und auch eine Überlagerung aller im System vorhandener Fehlerbeiträge. Der vorwiegende Fehleranteil kann jedoch in den meisten Systemen dem Astigmatismus zugeordnet werden.
Das optische System umfasst mindestens ein Objektiv. Der Begriff „Objektiv“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein optisches System, insbesondere ein reell abbildendes optisches System, mit mindestens einem optischen Element beziehen. Das Objektiv kann mindestens ein beliebiges sammelndes optisches Element aufweisen, welches eingerichtet ist, eine optische Abbildung eines Objektes zu erzeugen, beispielsweise eine Linse. Das Objektiv kann eine Mehrzahl von Linsenelementen und/oder Linsengruppen aufweisen. Unter einer „Linsengruppe“ kann ein optisches Element verstanden werden, welches mindestens zwei Linsenelemente aufweist.
Das optische System ist eingerichtet, an einer Mehrzahl von Fokusebenen zu fokussieren. Insbesondere kann das optische System eingerichtet sein einen relativen Abstand zwischen dem optischen System und einem abzubildenden Objekt, wie beispielsweise einem Muster, einzustellen. Hierzu kann das optische System oder Teile des optischen Systems, insbesondere das Objektiv, die Kamera und/oder weitere Teile des optischen Systems, an eine Mehrzahl von Positionen relativ zu dem Objekt bewegbar sein. Die Positionen können jeweils mit unterschiedlichen Fokusebene einhergehen. Alternativ oder zusätzlich kann auch das abzubildende Objekt bewegbar sein. Der Begriff „Fokusebene“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Schärfeebene in einem Objektraum beziehen, deren Punkte von dem optischen System, insbesondere dem Objektiv, auf einer Bildebene in einem Bildraum scharf abgebildet werden. Das optische System kann derart eingerichtet sein, dass für das optische System variabel aus einer Mehrzahl von möglichen Fokusebenen nacheinander unterschiedliche Fokusebenen einstellbar sind. Diese können einstellbar sein, indem das optische System oder Teile davon, wie beispielsweise das Objektiv und die Kamera, bewegt werden. Alternativ oder zusätzlich können sie einstellbar sein, indem das abzubildende Objekt, insbesondere das Muster, bewegt wird. Das optische System, insbesondere das Objektiv, kann eingerichtet sein einen Autofokus durchzuführen.
Das optische System umfasst weiterhin mindestens eine Kamera. Der Begriff „Kamera“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf eine Vorrichtung umfassend mindestens einen Bildsensor beziehen, welcher eingerichtet ist, räumlich aufgelöste optische Daten oder Informationen aufzuzeichnen oder zu erfassen. Die Kamera kann beispielsweise mindestens einen CCD-Chip und/oder mindestens einen CMOS-Chip, umfassend eine zweidimensionale Anordnung von Pixeln, aufweisen.
Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf. Die Verfahrensschritte können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden. Die Verfahrensschritte sind:

a) Aufnehmen mindestens eines Bildstapels mindestens eines Musters, insbesondere eines periodischen Musters, umfassend eine Mehrzahl von Musterelementen mit der Kamera, wobei der Bildstapel eine Mehrzahl von Bildern an verschiedenen Fokusebenen umfasst;
b) Identifizieren von Musterelementen in den Bildern und Zuordnen der identifizierten Musterelemente zwischen den Bildern mit mindestens einer Prozessoreinheit;
c) Bestimmen mindestens eines Korrekturzentrums mit der Prozessoreinheit; und
d) Bestimmen der Astigmatismuskorrektur mit der Prozessoreinheit, wobei eine Mehrzahl von zweiten interessierenden Bereichen um das jeweilige identifizierte Musterelement in den Bildern des Bildstapels bestimmt wird, wobei für die zweiten interessierenden Bereiche unter Verwendung des Bildstapels Fokuspositionen bestimmt werden, wobei weiterhin für die zweiten interessierenden Bereiche jeweils eine Lageposition relativ zu dem Korrekturzentrum bestimmt wird, wobei weiterhin für die zweiten interessierenden Bereiche jeweils mindestens ein Winkelanteil relativ zu dem Korrekturzentrum bestimmt werden, wobei die zweiten interessierenden Bereiche für das jeweilige identifizierte Musterelement zu einer Bildregion mit bekannter Lageposition zusammengefasst werden, wobei für jede Bildregion eine Mehrzahl von möglichen Astigmatismuskorrekturen bestimmt wird durch Bestimmen einer Abhängigkeit der Fokusposition von dem Winkelanteil der Bildregion für jede Bildregion.

Der Begriff „Bildstapel“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf mindestens drei Bilder beziehen, welche an mindestens drei verschiedenen Fokusebenen, also an verschiedenen z-Koordinaten, aufgenommen wurden. Der Bildstapel kann eine Mehrzahl von mindestens zehn, bevorzugt mindestens 30, besonders bevorzugt mindestens 50, besonders bevorzugt mindestens 100 Bildern umfassen. Die Bilder des Bildstapels können jeweils verschiedene Fokusebenen aufweisen. Die verschiedenen Fokusebenen können parallel zueinander ausgerichtet sein. Der Begriff „Bild“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf mit der Kamera aufgenommene Daten beziehen, insbesondere auf mit einem lichtsensitiven Bildsensor der Kamera aufgenommene elektronische Messwerte. Beispielsweise können die elektronischen Messwerte von einer zweidimensionalen Anordnung von Pixeln eines CCD-Chips oder eines CMOS-Chip der Kamera stammen. Das Bild kann dementsprechend zweidimensional aufgelöste optische Informationen umfassen.
Schritt a) umfasst das Aufnehmen des mindestens einen Bildstapels des mindestens einen Musters. Der Begriff „Muster“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Vielzahl von Musterelementen beziehen, welche eine vorbestimmte und/oder vordefinierte Verteilung aufweisen. Das Muster kann insbesondere ein periodisches Muster sein. Beispielsweise kann das Muster ein Beleuchtungsmuster sein, welches von mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung erzeugt wird. Das Beleuchtungsmuster kann durch eine Abstrahlcharakteristik eines von der Beleuchtungsvorrichtung ausgehenden Strahlenbündels bestimmt sein. Die Musterelemente können Beleuchtungsmerkmale sein. Der Begriff „Musterelement“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein einzelnes Element des Musters beziehen, beispielsweise einen Punkt oder eine Linie. Das Muster kann beispielsweise jeweils ein Punktmuster und/oder ein Linienmuster und/oder ein Gitter aufweisen. Das Muster kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Punkteraster; einem Radial-Tangential-Gitter; einem Siemensstern; einer Mehrzahl von Siemenssternen; einer Mehrzahl von Kreuzen; einer Mehrzahl von Ringen, insbesondere einer Mehrzahl von konzentrischen Ringen oder zu einem Raster angeordneten Ringen; einzelne Ringe. Beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet sein, eine Punktwolke zu erzeugen und/oder zu projizieren. Beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung mindestens einen Projektor aufweisen, welcher eingerichtet ist die Punktwolke zu erzeugen und/oder zu projizieren Die Verteilung der Musterelemente des Musters kann vorbekannt sein. Das Muster kann mindestens eine regelmäßige und konstante Anordnung der Musterelemente aufweisen. Das Muster kann beim Aufnehmen des Bildstapels in Schritt a) ein Sichtfeld des optischen Systems vollständig ausfüllen.
Das Musterelement kann ein sich wiederholender Ausschnitt, Abschnitt oder Teilbereich des Musters sein. Beispielsweise kann das Musterelement ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Punkt; einer Linie; einem Kreuz; zwei sich kreuzenden Linien; einem strukturierten Musterelement. Bei einem strukturierten Musterelement kann es sich insbesondere um ein Musterelement mit mindestens einer inneren Struktur handeln, beispielsweise einen Punkt mit einer inneren Struktur von konzentrischen Kreisen. Das Muster kann beispielsweise ein Punktmuster umfassend eine Mehrzahl von flächigen Chrompunkten sein Eine Steigerung des Kontrasts für die Astigmatismuskorrektur kann durch Verwendung konzentrischer Kreise anstatt flächiger Chrompunkte möglich werden.
Das Muster, insbesondere die Musterelemente selbst und/oder die Verteilung der Musterelemente, beispielsweise Punktgröße, Linienbreiten und/oder Linienabstände, können an die verwendete Optik und das Auflösungsvermögen des optischen Systems angepasst sein. Ebenso die Anzahl und Abstände der Bilder bei Aufnahme des Bildstapels. Das periodische Muster kann eine Mehrzahl von mindestens zehn, bevorzugt mindestens 50, mehr bevorzugt mindestens 100, mehr bevorzugt mindestens 500 Musterelementen umfassen.
Schritt c) umfasst ein Bestimmen eines Korrekturzentrums mit mindestens einer Prozessoreinheit. Der Begriff „Prozessoreinheit“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine beliebige Vorrichtung eingerichtet zur Datenverarbeitung beziehen. Die Prozessoreinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein, um die Kamera anzusteuern. Die Prozessoreinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Prozessoreinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Prozessoreinheit kann mindestens einen A/D-Wandler aufweisen.
Der Astigmatismus kann als ein radialsymmetrisches Phänomen ausgehend von einer optischen Achse betrachtet werden. Der Begriff „Korrekturzentrum“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine optische Achse beziehen, relativ zu welcher die Astigmatismuskorrektur erfolgt. Das Korrekturzentrum kann für die Astigmatismuskorrektur als optische Achse herangezogen werden.
Schritt b) umfasst ein Identifizieren von Musterelementen in den Bildern des Bildstapels. Der Begriff „Identifizieren“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf ein Erfassen oder Erkennen beziehen. Die Prozessoreinheit kann eingerichtet sein, die Musterelemente in den Bildern zu identifizieren. Beispielsweise kann die Prozessoreinheit eingerichtet sein, mindestens einen Bildverarbeitungsalgorithmus durchzuführen, insbesondere einen Algorithmus zur Erkennung von Merkmalen. Der Bildverarbeitungsalgorithmus kann ein Filtern und/oder eine Untergrundreduzierung und/oder eine Transformation umfassen.
Schritt b) umfasst ein Zuordnen der identifizierten Musterelemente zwischen den Bildern des Bildstapels. Der Begriff „Zuordnen“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen Vorgang beziehen, im Rahmen dessen die Musterelemente eines der Bilder des Bildstapels jeweils zu identischen und/oder passenden und/oder zueinander gehörigen Musterelementen der anderen Bilder des Bildstapels zugewiesen werden. Insbesondere können die Musterelemente verschiedener Bilder des Bildstapels einander zugeordnet werden, welche dasselbe Musterelement umfassen. Beispielsweise kann die Prozessoreinheit eingerichtet sein mindestens einen Matching-Algorithmus durchzuführen.
Schritt c) umfasst das Bestimmen des Korrekturzentrums mit der Prozessoreinheit. Das Bestimmen des Korrekturzentrums kann mindestens einen der folgenden Schritte umfassen:

i) ein Bestimmen mindestens eines ersten interessierenden Bereichs um das jeweilige identifizierte Musterelement in den Bildern, wobei für die ersten interessierenden Bereiche unter Verwendung des Bildstapels Fokuspositionen bestimmt werden, wobei das Korrekturzentrum als Extremum der Fokuspositionen bestimmt wird; oder
ii) ein Bestimmen eines Bildpunktes mit vorbestimmter Bildposition als Korrekturzentrum.

In Schritt i) kann der mindestens eine erste interessierende Bereich um das jeweilige identifizierte und zugeordnete Musterelement in den Bildern, insbesondere in jedem der Bilder des Bildstapels, bestimmt werden. Auf dem Bildstapel können beispielsweise die einzelnen Punkte gesucht und um jeden Punkt ein erster interessierender Bereich gelegt werden. Der Begriff „erster interessierender Bereich“, auch als erste area of interest (AOI) bezeichnet, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen Ausschnitt, einen Abschnitt oder einen Teilbereich des Bildes umfassend das jeweilige identifizierte und zugeordnete Musterelement beziehen. Der erste interessierende Bereich kann das jeweilige identifizierte und zugeordnete Musterelement umfassen, insbesondere umgeben. Das jeweilige identifizierte und zugeordnete Musterelement kann vollständig in dem jeweiligen ersten interessierenden Bereich enthalten sein, wobei der erste interessierende Bereich weitere, das Musterelement umgebende Bildbereiche aufweisen kann. Eine Form des ersten interessierenden Bereichs kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Rechteck; einem Quadrat, einem Kreis. Der erste interessierende Bereich kann beispielsweise einen Kreis mit einem vordefinierten Radius oder Durchmesser sein. Der erste interessierende Bereich kann beispielsweise ein Quadrat oder Rechteck mit vordefinierter Kantenlänge sein. Die Prozessoreinheit kann eingerichtet sein den ersten interessierenden Bereich auszuwählen.
Durch den Bildstapel kann für jedes erste AOI eine Fokusposition ermittelt werden. Für die ersten interessierenden Bereiche können Schritt i) unter Verwendung des Bildstapels Fokuspositionen bestimmt werden. Der Begriff „Fokusposition“, auch Fokuswert genannt, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Lage einer Ebene in einem Objektraum beziehen, wobei bei einer Verwendung dieser Ebene als Schärfeebene ein von dem optischen System erzeugtes Bild oder Bildausschnitt scharf abgebildet ist. Bei der Lage kann es sich insbesondere um die z-Koordinate der Ebene handeln, insbesondere um einen Abstand der Ebene von dem Objektiv. Die Fokusposition kann die z-Koordinate der Schärfeebene sein, bei deren Verwendung das identifizierte, zugeordnete Musterelement scharf abgebildet ist. Der Begriff „unter Verwendung des Bildstapels“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere darauf beziehen, dass die Mehrzahl der Bilder des Bildstapels ausgewertet wird. Für die jeweiligen identifizierten und zugeordneten Musterelemente kann durch Auswerten des Bildstapels das Bild identifiziert werden, in welchem der jeweilige erste interessierende Bereich scharf abgebildet wird. Das identifizierte Bild kann die z-Koordinate angeben.
Die Verteilung der Fokuspositionen kann eine Funktion der z-Koordinate sein. Die Verteilung der Fokuspositionen kann beispielsweise als Fokuskarte dargestellt werden. Insbesondere kann es sich bei der Verteilung der Fokuspositionen um eine Funktion der Abstandskoordinate (z-Koordinate) handeln. Die dabei entstehende Karte aus Positionen der Musterelemente im Bild und den dazugehörigen Fokuspositionen kann die Bildfeldwölbung darstellen. Je nach Objektivmodell kann es einen charakteristischen Verlauf dieser Wölbung geben. Im einfachsten Fall weist diese Karte ein eindeutiges, insbesondere globales, Extremum auf.
Das Korrekturzentrum kann jedoch alternativ oder zusätzlich, wie oben bereits beschrieben, als Extremum der Fokuspositionen, insbesondere der Verteilung, bestimmt werden. Das Extremum kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Minimum, einem Maximum. Das Extremum der Fokuspositionen kann bestimmt werden unter Verwendung einer Fitfunktion basierend auf den Fokuspositionen. Insbesondere kann als Fitfunktion ein Flächenpolynom 2. Ordnung verwendet werden. Auch andere Fitfunktionen sind möglich. Eine Position des Korrekturzentrums kann gespeichert werden, beispielsweise in mindestens einem Datenspeicher. Die Position des Korrekturzentrums kann in Bildkoordinaten gespeichert werden, insbesondere in Pixelkoordinaten.
Beispielsweise können durch fehlerhafte Designs oder Fertigungsschwankungen, weitere optische Fehler auftreten, so dass kein radialsymmetrisches Fehlerbild vorliegt. In Schritt ii) kann ein Bildpunkt mit vorbestimmter Bildposition als Korrekturzentrum bestimmt werden. Insbesondere kann Schritt ii) gewählt werden, wenn die Fokuspositionen kein eindeutiges Extremum aufweisen und/oder die Fokuspositionen keine radialsymmetrische Verteilung aufweisen. Der Bildpunkt mit der vorbestimmten Bildposition, welcher in Schritt ii) zum Korrekturzentrum bestimmt werden kann, kann insbesondere ausgewählt sein aus: einem Bildmittelpunkt; einem Punkt am Bildrand; einer Bildecke; einem Punkt innerhalb eines der Musterelemente, insbesondere einem Mittelpunkt eines der Musterelemente. Insbesondere kann das Korrekturzentrum auf einen festen Wert, wie beispielsweise die Bildmitte, einen Punkt am Bildrand oder vorzugsweise an eine Bildecke gelegt. Im Rahmen von Schritt c) wird das mindestens eine Korrekturzentrum bestimmt. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Korrekturzentren bestimmt werden. Für die ersten AOIs können auch jeweils gesonderte Korrekturzentren hinterlegt werden - vorzugsweise der AOI Mittelpunkt. Beispielsweise kann für jedes der identifizierten und zugeordneten Musterelemente und/oder für jeden der zweiten interessierenden Bereiche jeweils ein Korrekturzentrum bestimmt werden.
Schritt d) umfasst ein Bestimmen der Astigmatismuskorrektur mit der Prozessoreinheit. Neben der Fokusposition des zweiten AOIs kann auch die Struktur im zweiten AOI berücksichtig werden. Dabei kann eine Lage der Struktur relativ zum Korrekturzentrum bestimmt werden. Insbesondere kann bestimmt werden, ob die Strukturen radial oder tangential liegen, bzw. wie eine Verteilung der Strukturen im zweiten AOI ist.
In Schritt d) wird eine Mehrzahl von zweiten interessierenden Bereichen um das jeweilige Musterelement in den Bildern des Bildstapels bestimmt. Der Begriff „zweiter interessierender Bereich“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen Ausschnitt, einen Abschnitt oder einen Teilbereich des Bildes beziehen, wobei der zweite interessierende Bereich insbesondere einen Ausschnitt, einen Abschnitt oder einen Teilbereich des identifizierten und zugeordneten Musterelements umfasst. Der zweite interessierende Bereich kann weitere, das Musterelement umgebende Bildbereiche aufweisen. Der zweite interessierende Bereich kann beispielsweise ein Quadrat oder Rechteck mit vordefinierter Kantenlänge sein. Die Prozessoreinheit kann eingerichtet sein den zweiten interessierenden Bereich auszuwählen.
Die Begriffe „erster interessierender Bereich“ und „zweiter interessierender Bereich“ sind lediglich Benennungen zur begrifflichen Unterscheidung. Die Begriffe beinhalten keine Reihenfolge oder Rangfolge. So kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung, insbesondere bei bestimmten Ausführungsformen, durchaus ein zweiter interessierender Bereich bestimmbar sein oder bestimmt werden ohne dass zuvor ein erster interessierender Bereich bestimmt wurde. Die ersten interessierenden Bereiche und die zweiten interessierenden Bereiche können in Ausführungsformen, die beide umfassen, miteinander in Beziehung stehen. So kann insbesondere der zweite interessierende Bereich jeweils ein Teilbereich eines der ersten interessierenden Bereiche sein. Der zweite interessierende Bereich kann auch als zweiter AOI bezeichnet werden.
Der zweite interessierende Bereich kann einen Ausschnitt, einen Abschnitt oder einen Teilbereich des identifizierten und zugeordneten Musterelements umfassen. Die ersten interessierenden Bereiche können jeweils in die Mehrzahl von den zweiten interessierenden Bereichen unterteilt werden. Beispielsweise kann ein erster interessierender Bereich in mindestens acht, bevorzugt mindestens 25, mehr bevorzugt mindestens 50 zweite interessierende Bereiche unterteilt werden. Die zweiten interessierenden Bereiche können voneinander getrennt ausgestaltet sein oder einander teilweise überlappen. Der jeweils erste interessierende Bereich kann vollständig oder teilweise in die Mehrzahl von den zweiten interessierenden Bereichen unterteilt werden. Die zweiten interessierenden Bereiche können sich in mindestens einer transversalen Koordinate unterscheiden, und/oder in ihrer Fläche, und/oder in ihrer Form. Eine Form des zweiten interessierenden Bereichs kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Rechteck; einem Quadrat. Der erste interessierende Bereich kann derart gewählt werden, dass in dem ersten interessierenden Bereich möglichst viele unterschiedliche Kantenrichtungen enthalten sind. Die zweiten interessierenden Bereiche können derart gewählt werden, dass möglichst wenig unterschiedliche Kantenrichtungen in jedem der zweiten interessierenden Bereiche vorhanden sind. Schritt d) kann weiterhin ein Zuordnen der zweiten interessierenden Bereiche umfassen, wobei diejenigen zweiten interessierenden Bereiche einander zugeordnet werden, welche jeweils denselben Ausschnitt desselben identifizierten, zugeordneten Musterelements umfassen.
Unter Verwendung des Bildstapels werden in Schritt d) die Fokuspositionen für die zweiten interessierenden Bereiche bestimmt. Die Mehrzahl der Bilder des Bildstapels kann ausgewertet werden und für die jeweiligen identifizierten und zugeordneten Musterelemente kann durch Auswerten des Bildstapels das Bild identifiziert werden, in welchem der jeweilige zweite interessierende Bereich scharf abgebildet wird. Das identifizierte Bild kann die z-Koordinate angeben. Die zweiten interessierenden Bereiche umfassend unterschiedliche Ausschnitte desselben Musterelements, insbesondere die zweiten interessierenden Bereiche eines ersten interessierenden Bereichs, können dabei identische Fokuspositionen aufweisen oder verschiedene. Die Fokusposition für die zweiten interessierenden Bereiche, insbesondere die z-Koordinate, kann auch durch Algorithmen und insbesondere unter Verwendung mehrerer Bilder um das schärfste Bild herum, beispielsweise mit einem Fit des Schärfeverlaufs, bestimmt werden. Diese Form der Bestimmung der Fokusposition kann genauer sein, als die Bestimmung durch Auswahl aus den z-Koordinaten oder z-Positionen der einzelnen Bilder. Insbesondere kann ein Fit des Schärfeverlaufs und/oder des Kontrastverlaufs bestimmt werden.
Nach Durchführen des Bestimmens der Lageposition der zweiten interessierenden Bereiche zu dem Korrekturzentrum kann für jeden ersten interessierenden Bereich eine Fokuslage vorliegen und zusätzlich dazu eine Anzahl von weiteren Fokuslagen, also eine Anzahl der Menge an zweiten interessierenden Bereichen, die sich bei Vorhandensein von Bildfehlern wie Astigmatismus unterscheiden, wenn sich der Bildinhalt, also Struktur und/oder Kanten im AOI unterscheiden.
Für die zweiten interessierenden Bereiche wird jeweils eine Lageposition, insbesondere eine Bildposition, weiter insbesondere xy-Koordinaten, relativ zu dem Korrekturzentrum bestimmt.
Schritt d) umfasst weiterhin das Bestimmen des mindestens einen Winkelanteils relativ zu dem Korrekturzentrum für die zweiten interessierenden Bereiche. In Schritt d) kann im zweiten AOI der Anteil der Bildstrukturen mit den jeweiligen Winkelanteilen bestimmt werden. Zu diesem Zweck können Bildinhalte des zweiten AOI relativ zum Korrekturzentrum ausgewertet werden. Insbesondere können die Winkelanteile in ein Verhältnis gesetzt und damit der jeweilige Astigmatismusanteil berechnet werden.
Der Begriff „Winkelanteil“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf eine Struktur des AOI und/oder der AOIs beziehen.
Bei dem Winkelanteil kann es sich beispielsweise um einen radialen Winkelanteil handeln. Der Begriff „radialer Winkelanteil“ kann sich auf einen Anteil der Strukturen des AOI oder der AOIs in einer radialen Richtung zur optischen Achse beziehen. Die Strukturen können beispielsweise auf einer von der optischen Achse aus radial verlaufenden Geraden liegen (Speichen). Als Alternative zur optischen Achse kann das für das AOI gesetzte Korrekturzentrum als Bezugspunkt gesetzt werden.
Bei dem Winkelanteil kann es sich beispielsweise um einen tangentialen Winkelanteil handeln. Der Begriff „tangentialer Winkelanteil“ kann sich auf einen Anteil der Strukturen des AOI oder der AOIs in einer tangentialen Richtung zur optischen Achse beziehen. Die Strukturen können beispielswiese auf konzentrischen Ringen um die optische Achse angeordnet sein. Als Alternative zur optischen Achse kann das für das AOI gesetzte Korrekturzentrum als Bezugspunkt gesetzt werden.
Die Winkelanteile können unter Verwendung mindestens eines modifizierten Sobel-Operators bestimmt werden. Zur Berechnung der Winkelanteile kann der modifizierter Sobel-Operator auf das zweite AOI angewendet werden. Der Sobel-Operator oder Erweiterungen davon sind Standardalgorithmen zur Kantendetektion in der Bildverarbeitung. Für die Astigmatismuskorrektur können die Koeffizienten des Operators in Abhängigkeit zur Lage des zweiten AOIs relativ zum Korrekturzentrum bestimmt werden. Beispielsweise kann eine Lage des zweiten AOI zum Korrekturzentrum bestimmt werden. Der Sobel-Operator kann derart gedreht werden, so dass Kanten radial zum Korrekturzentrum berechnet werden. Weiter kann der Sobel-Operator derart gedreht werden, so dass Kanten tangential zum Korrekturzentrum berechnet werden. Insbesondere kann der Sobel-Operator um beliebige Winkel gedreht werden, beispielsweise um den Winkelanteil in dem zweiten interessierenden Bereich zu bestimmen. Auch andere Methoden oder Algorithmen zur Kantendetektion sind jedoch denkbar.
Für die zweiten interessierenden Bereiche kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Haupt-Kantenwinkel berechnet, bzw. der Anteil dieses Winkels im AOI. Aus den ermittelten Fokuslagen und Kantenwinkeln können die zwei, vorzugsweise vier, Extrema ermittelt werden, also die Kantenrichtungen mit den größten Unterschieden in den Fokuslagen. Diese Winkel können für den Ort des ersten interessierenden Bereichs die für die Korrektur relevanten Strukturrichtungen darstellen. Bei reinem Astigmatismus stellen diese Winkel die radiale und tangentiale Richtung dar. Die Information über den zweiten interessierenden Bereich kann so in einen Strukturwinkel übersetzt werden und damit die Abhängigkeit Fokuslage von Winkel bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch der Anteil des Winkels im AOI bestimmt werden. Die zweiten interessierenden Bereiche können so gewählt werden, dass genug Informationen aus den Winkeln und aus unterschiedlichen Anteilen dieser Winkel vorhanden sind. Dann liegen genug Daten für einen Fit vor.
In Schritt d) wird für die zweiten interessierenden Bereiche jeweils der mindestens eine Winkelanteil bestimmt. Insbesondere kann der Anteil derjenigen Bildstrukturen in dem zweiten interessierenden Bereich bestimmt werden, die parallel zu dem Hauptkantenwinkel der Bildregion verlaufen, zu welcher der zweite interessierende Bereich gehört. Dazu kann zunächst der mindestens eine Hauptkantenwinkel des Bildbereichs, insbesondere zwei Hauptkantenwinkel, bestimmt werden. Für die zweiten interessierenden Bereiche einer Bildregion können beispielsweise durch Methoden und Algorithmen der Kantendetektion Kantenrichtungen der Bildstrukturen bestimmt werden. Weiterhin liegen für die zweiten interessierenden Bereiche die Fokuspositionen vor. Weiter können Extrema der Fokuspositionen und die zu diesen Fokuspositionen gehörenden Kantenrichtungen bestimmt werden. Diese Kantenrichtungen können zu den Hauptkantenwinkeln, auch Hauptkantenrichtugen genannt, des Bildbereichs und/oder zu den Hauptkantenwinkeln der zu dem Bildbereich gehörenden zweiten interessierenden Bereiche bestimmt werden. Für die zweiten interessierenden Bereiche kann nun jeweils der mindestens eine Winkelanteil entsprechend dem mindestens einen bestimmten Hauptkantenwinkel bestimmt werden. Die Hauptkantenwinkel können aufeinander senkrecht stehen. Insbesondere können zwei Winkelanteile bestimmt werden, insbesondere entsprechend den zwei Hauptkantenwinkeln. Der Winkelanteil kann der Anteil der Bildstrukturen des zweiten interessierenden Bereichs sein, die parallel zu der Hauptkantenrichtung desjenigen Bildbereichs verlaufen, zu dem der zweite interessierende Bereich gehört. Bei reinem Astigmatismus können die Hauptkantenwinkel die radiale und die tangentiale Richtung darstellen. Bei dem mindestens einen Winkelanteil kann es sich insbesondere um den radialen Winkelanteil oder um den tangentialen Winkelanteil handeln.
Anschließend können bei geeigneter Wahl von Lage, Größe und Anzahl der zweiten interessierenden Bereiche für jede Bildregion, insbesondere für jeden ersten interessierenden Bereich, die relevanten Kantenrichtungen, insbesondere der Hauptkantenwinkel, die jeweiligen Winkelanteile und die Fokuspositionen vorliegen. Die Astigmatismuskorrekturen, insbesondere die Astigmatismusbeträge, können berechnet werden, beispielsweise Fitkoeffizienten für Winkelanteil gegen Fokuslage.
Für eine jeweilige Lageposition des zweiten AOI können Korrekturwerte für die Winkelanteile berechnet und die Koeffizienten zusammen mit den für dieses AOI relevanten Winkeln in eine Look up Tabelle hinterlegt werden. Die zweiten interessierenden Bereiche werden für das jeweilige identifizierte Musterelement zu einer Bildregion, insbesondere dem ersten interessierenden Bereich, mit bekannter Lageposition zusammengefasst. Die Lageposition kann in Pixelkoordinaten angegeben werden. Dabei kann die Lageposition der Bildregion die x- und die y-Koordinate der Bildregion umfassen. Beispielsweise können die x- und die y-Koordinate für die Bildregion als Mittelwert der x- und y-Koordinaten der zusammengefassten zweiten interessierenden Bereiche bestimmt werden. Auch andere Möglichkeiten zur Bestimmung der Lageposition sind denkbar. Die zweiten interessierenden Bereiche können derart zu Bildregionen zusammengefasst werden, dass für jede Bildregion eine Mehrzahl von verschiedenen Winkelanteilen und zugehörigen Fokuspositionen vorliegen.
Insbesondere können für jede der Bildregionen abhängig von den Winkelanteilen der Bildregion Astigmatismuskorrekturen bestimmt werden. Die Astigmatismuskorrektur kann insbesondere ein Bestimmen mindestens eines der folgenden Elemente umfassen: eine zu erwartende Fokusposition, insbesondere eine z-Koordinate der Fokusposition; einem Abstand der Fokusposition zu dem Objektiv; eine Differenz zwischen einer aktuellen und einer zu erwartenden Fokusposition. Die Astigmatismuskorrektur kann für die Bildregionen eine zu erwartende Fokusposition angeben unter Berücksichtigung von relativ zu dem Korrekturzentrum berechneten Winkelanteilen der Bildregion. Für jedes Musterelement und/oder jedes Ausgewertete zweite AOI kann folgende Information vorliegen: Pixelkoordinaten, Winkelanteile im zweiten AOI relativ zum Korrekturzentrum, z-Koordinate für Fokusposition, Kantenrichtungen der Extrema relativ zum Korrekturzentrum, Fitparameter, z.B. Korrekturwert in Abhängigkeit von Kantenverhältnissen.
Fasst man eine Region zusammen, für welche mehrere unterschiedliche Astigmatismusanteile vorliegen, so kann die Abhängigkeit der Fokusposition vom Winkelanteil, insbesondere vom Astigmatismusanteil, gefittet werden. Die Abhängigkeit der Astigmatismuskorrektur, insbesondere der zu erwartenden Fokusposition, von dem Winkelanteil der Bildregion, kann durch eine Fitfunktion bestimmt werden, beispielsweise durch eine lineare Fitfunktion oder mit einem Polynom höherer Ordnung. Für eine stabile Korrektur kann eine Glättung der Daten zur Ausreißer-Unterdrückung erfolgen.
Die Abhängigkeit der Astigmatismuskorrektur, insbesondere der zu erwartenden Fokusposition, von dem Winkelanteil kann insbesondere in einem Datenspeicher hinterlegt werden, insbesondere einer Steuerung des Koordinatenmessgeräts. Die Astigmatismuskorrektur kann als eines oder mehreres von einer Look-up-Tabelle, einer Funktion, einem Fit, einer Kurve hinterlegt und/oder gespeichert werden. Bezieht man beispielsweise die Fokuskarten auf den Z Wert im Korrekturzentrum kann die Abweichung der jeweiligen Fokuslagen in Abhängigkeit von Lageposition und Astigmatismusanteil, beispielsweise als Look-Up Tabelle, hinterlegt werden und damit eine Korrektur des Astigmatismus für einen Autofokus durchgeführt werden. Beispielsweise kann für eine Korrektur des Astigmatismus mindestens ein Fitparameter aus beispielsweise einem Ebenenfit für die Positionen der AOIs und eine Position des Korrekturzentrums in Pixelkoordinaten gespeichert werden. Beispielsweise können an die ermittelten Kurven erwartete Fehlereinflüsse in Form von z.B. Zernike-Polynomen angefittet werden und die entsprechenden Koeffizienten als Korrekturwerte hinterlegt werden. Beispielsweise können für eine Bildregion, insbesondere eine erste AOI, neben der Lage des Korrekturzentrums für dieses AOI folgende Daten vorliegen:

Kantenrichtung der Extrema Fitkoeffizienten für Korrekturwert dZ

10 0

100 0.013

190 0.24

280 3.45
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Korrektur eines Astigmatismus eines optischen Systems eines optischen Koordinatenmessgeräts vorgeschlagen. Das optische System umfasst mindestens ein Objektiv und mindestens eine Kamera. Das optische System ist eingerichtet, an einer Mehrzahl von Fokusebenen zu fokussieren. Für Definitionen und Erläuterungen der verwendeten Begriffe kann weitgehend auf die Beschreibung des Verfahrens zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur verwiesen werden, wie sie weiter oben zu finden ist und/oder weiter unten noch fortgeführt wird.
Das Verfahren zur Korrektur eines Astigmatismus weist die folgenden Schritte auf. Die Verfahrensschritte können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Auch eine andere Reihenfolge kann grundsätzlich möglich sein. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden. Die Verfahrensschritte sind:

A) Bereitstellen mindestens einer Astigmatismuskorrektur, wobei die Astigmatismuskorrektur unter Verwendung von einem Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur nach einem der vorhergehenden, erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur bereitgestellt wird;
B) Aufnehmen mindestens eines Bildes mindestens eines interessierenden Bereichs eines zu vermessenden Objekts mit dem optischen System an einer ersten Fokusebene;
C) Auswerten des Bildes, wobei eine Lageposition und mindestens ein Winkelanteil für den interessierenden Bereich relativ zu einem vorbestimmten Korrekturzentrum bestimmt werden; und
D) Bestimmen einer korrigierten Fokusebene für den interessierenden Bereich durch Anwenden der Astigmatismuskorrektur für den interessierenden Bereich, wobei die Astigmatismuskorrektur für den interessierenden Bereich ausgewählt wird gemäß der in Schritt C) bestimmten Lageposition und des in Schritt C) bestimmten Winkelanteils des interessierenden Bereichs.

Der Begriff „interessierender Bereich“ wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann, ohne Beschränkung, sich insbesondere auf einen Ausschnitt, einen Abschnitt oder einen Teilbereich des zu vermessenden Objekts beziehen. Beispielsweise kann der interessierende Bereich einen zu vermessenden Messpunkt umfassen, dessen Koordinaten bestimmt werden sollen.
In Schritt B) des Verfahrens zur Korrektur eines Astigmatismus wird das mindestens eine Bild an der ersten Fokusebene aufgenommen. Die erste Fokusebene kann durch eine Autofokusfunktion des optischen Systems bestimmt sein. Insbesondere kann die erste Fokusebene in einem Autofokusverfahren des optischen Systems, insbesondere der Kamera, bestimmt werden und ein Ergebnis oder Zwischenergebnis des Autofokusverfahrens sein. Weiterhin kann das Verfahren zur Korrektur eines Astigmatismus sich an das Autofokusverfahren anschließen und/oder Teil des Autofokusverfahrens sein, insbesondere indem es das Ergebnis des Autofokusverfahrens verbessert, korrigiert oder verfeinert, insbesondere durch das Bestimmen einer korrigierten Fokusebene.
In Schritt C) werden die Lageposition und der Winkelanteil für den interessierenden Bereich relativ zu dem vorbestimmten Korrekturzentrum bestimmt. Das vorbestimmte Korrekturzentrum kann insbesondere bestimmt werden in einem Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur, wie es weiter oben bereits beschrieben wurde oder wie weiter unten noch näher ausgeführt. Insbesondere kann es sich bei dem Korrekturzentrum um das Extremum der Fokuspositionen der ersten interessierenden Bereiche oder um das Extremum der Verteilung der Fokuspositionen der ersten interessierenden Bereiche handeln.
Sofern mehrere Korrekturzentren hinterlegt sind, kann für das AOI entweder das nächstgelegene Korrekturzentrum verwendet werden, insbesondere das Korrekturzentrum mit dem geringsten Abstand zu dem AOI. Alternativ oder zusätzlich können aus umliegenden Korrekturzentren, insbesondere Korrekturbezugspunkten, für das AOI gültige Korrekturparameter interpoliert werden.
In einem weiteren Aspekt wird ein Koordinatenmessgerät vorgeschlagen wobei das Koordinatenmessgerät mindestens eine Prozessoreinheit umfasst. Die Prozessoreinheit ist eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur durchzuführen und/oder ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Korrektur eines Astigmatismus durchzuführen. Für Definitionen und Erläuterungen der verwendeten Begriffe kann weitgehend auf die Beschreibung des Verfahrens zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur und des Verfahrens zur Korrektur eines Astigmatismus verwiesen werden, wie sie weiter oben zu finden ist und/oder weiter unten noch fortgeführt wird.
Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm vorgeschlagen, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführt.
Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger und/oder einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein.
Der Begriffe „computerlesbarer Datenträger“ und „computerlesbares Speichermedium“, wie sie hier verwendet werden, können sich insbesondere auf nicht-transitorische Datenspeicher beziehen, beispielsweise ein Hardware-Datenspeichermedium, auf welchem computer-ausführbare Instruktionen gespeichert sind. Der computerlesbare Datenträger oder das computerlesbare Speichermedium können insbesondere ein Speichermedium wie ein Random-Access Memory (RAM) und/oder ein Read-Only Memory (ROM) sein oder umfassen.
Außerdem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Datenträger vorgeschlagen, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits- und/oder Hauptspeicher eines Computers oder Computer-Netzwerkes das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführen kann.
Auch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird.
Dabei wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen, so zum Beispiel auf Papier oder einem computerlesbaren Datenträger und kann insbesondere über ein Datenübertragungsnetz verteilt werden.
Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein moduliertes Datensignal vorgeschlagen, welches von einem Computersystem oder Computernetzwerk ausführbare Instruktionen zum Ausführen eines Verfahrens nach einer der beschriebenen Ausführungsformen enthält.
Im Hinblick auf die computer-implementierten Aspekte der Erfindung können einer, mehrere oder sogar alle Verfahrensschritte des Verfahrens gemäß einer oder mehreren der hier vorgeschlagenen Ausgestaltungen mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden. Somit können, allgemein, j egliche der Verfahrensschritte, einschließlich der Bereitstellung und/oder Manipulation von Daten mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden. Allgemein können diese Schritte jegliche der Verfahrensschritte umfassen, ausgenommen der Schritte, welche manuelle Arbeit erfordern, beispielsweise das Bereitstellen von Proben und/oder bestimmte Aspekte der Durchführung tatsächlicher Messungen.
Das vorgeschlagene Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur, das Verfahren zur Korrektur eines Astigmatismus und das Koordinatenmessgerät weisen gegenüber herkömmlichen Verfahren und Koordinatenmessgeräten zahlreiche Vorteile auf. So kann es möglich sein, Daten für die Astigmatismuskorrektur und insbesondere für eine Korrektur der Bildfeldwölbung an nur einem Bildstapel aufzunehmen ohne den Einsatz von aufwändigen Verfahren, wie z.B. den Einsatz eines Drehtischs, und/oder ohne besondere Normale, wie z.B. Linien oder Streifenmuster unterschiedlicher Orientierungen. Weiterhin kann es in vorteilhafter Weise möglich sein, bezüglich des Musters oder der Musterelemente eine Steigerung eines Kontrasts durch Verwendung konzentrischer Kreise anstelle von flächigen Punkten zu erreichen.
Zusammenfassend werden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, folgende Ausführungsformen vorgeschlagen:

Ausführungsform 1: Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur für ein optisches System eines optischen Koordinatenmessgeräts, wobei das optische System mindestens ein Objektiv und mindestens eine Kamera umfasst, wobei das optische System eingerichtet ist, an einer Mehrzahl von Fokusebenen zu fokussieren, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
1. a) Aufnehmen mindestens eines Bildstapels mindestens eines Musters umfassend eine Mehrzahl von Musterelementen mit der Kamera, wobei der Bildstapel eine Mehrzahl von Bildern an verschiedenen Fokusebenen umfasst;
2. b) Identifizieren von Musterelementen in den Bildern und Zuordnen der identifizierten Musterelemente zwischen den Bildern mit mindestens einer Prozessoreinheit;
3. c) Bestimmen mindestens eines Korrekturzentrums mit der Prozessoreinheit; und
4. d) Bestimmen der Astigmatismuskorrektur mit der Prozessoreinheit, wobei eine Mehrzahl von zweiten interessierenden Bereichen um das jeweilige identifizierte Musterelement in den Bildern des Bildstapels bestimmt wird, wobei für die zweiten interessierenden Bereiche unter Verwendung des Bildstapels Fokuspositionen bestimmt werden, wobei für die zweiten interessierenden Bereiche jeweils eine Lageposition relativ zu dem Korrekturzentrum bestimmt wird, wobei für die zweiten interessierenden Bereiche jeweils mindestens ein Winkelanteil relativ zu dem Korrekturzentrum bestimmt wird, wobei die zweiten interessierenden Bereiche für das jeweilige identifizierte Musterelement zu einer Bildregion mit bekannter Lageposition zusammengefasst werden, wobei für jede Bildregion eine Mehrzahl von möglichen Astigmatismuskorrekturen in Form von möglichen Fokuspositionen bestimmt wird durch das Bestimmen einer Abhängigkeit der Fokusposition von dem Winkelanteil der Bildregion für jede Bildregion.

Ausführungsform 2: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Bestimmen des Korrekturzentrums in Schritt c) mindestens einen der folgenden Schritte umfasst:

Ausführungsform 3: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der zweite interessierende Bereich jeweils ein Teilbereich eines der ersten interessierenden Bereiche ist.
Ausführungsform 4: Verfahren nach einer der beiden vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das jeweilige identifizierte und zugeordnete Musterelement vollständig in dem jeweiligen ersten interessierenden Bereich enthalten ist.
Ausführungsform 5: Verfahren nach einer der drei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei in Schritt d) die Mehrzahl von Bildern des Bildstapels ausgewertet wird, wobei für die jeweiligen identifizierten und zugeordneten Musterelemente durch Auswerten des Bildstapels das Bild identifiziert wird, in welchem der jeweilige erste interessierende Bereich scharf abgebildet wird.
Ausführungsform 6: Verfahren nach einer der vier vorhergehenden Ausführungsformen, wobei in Schritt c) eine Verteilung von Fokuspositionen der ersten interessierenden Bereiche bestimmt wird, wobei das Korrekturzentrum als Extremum der Verteilung bestimmt wird.
Ausführungsform 7: Verfahren nach einer der fünf vorhergehenden Ausführungsformen, wobei in Schritt d) jeder erste interessierende Bereich in eine Mehrzahl von zweiten interessierenden Bereichen unterteilt wird, insbesondere eine Mehrzahl von mindestens acht, bevorzugt mindestens 25, besonders bevorzugt mindestens 50.
Ausführungsform 8: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Muster ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem Punkteraster; einem Radial-Tangential-Gitter; einem Siemensstern; einer Mehrzahl von Siemenssternen; einer Mehrzahl von Kreuzen; einer Mehrzahl von Ringen, insbesondere einer Mehrzahl von konzentrischen Ringen oder zu einem Raster angeordneten Ringen; einzelnen Ringen.
Ausführungsform 9: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Musterelement ein strukturiertes Musterelement ist.
Ausführungsform 10: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Winkelanteil unter Verwendung mindestens eines modifizierten Sobel-Operators bestimmt werden.
Ausführungsform 11: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei in Schritt d) für die zweiten interessierenden Bereiche jeweils zwei Winkelanteile bestimmt werden, wobei die Astigmatiskorrektur ein Bilden von Verhältnissen von den Winkelanteilen der zweiten interessierenden Bereiche umfasst.
Ausführungsform 12: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei zum Bestimmen der Astigmatismuskorrektur die zweiten interessierenden Bereiche derart zu Bildregionen zusammengefasst werden, dass für jede der Bildregionen eine Mehrzahl von verschiedenen Astigmatismusanteilen und zugehörigen Fokuspositionen vorliegen.
Ausführungsform 13: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Astigmatismuskorrektur ein Bestimmen mindestens eines der folgenden Elemente umfasst: eine z-Koordinate der Fokusposition; einen Abstand der Fokusposition zu dem Objektiv; eine Differenz zwischen einer aktuellen und einer zu erwartenden Fokusposition.
Ausführungsform 14: Verfahren zur Korrektur eines Astigmatismus eines optischen Systems eines optischen Koordinatenmessgeräts, wobei das optische System mindestens ein Objektiv und mindestens eine Kamera umfasst, wobei das optische System eingerichtet ist, an einer Mehrzahl von Fokusebenen zu fokussieren, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

A) Bereitstellen mindestens einer Astigmatismuskorrektur, wobei die Astigmatismuskorrektur unter Verwendung von einem Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur nach einer der vorhergehenden, ein Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur betreffenden Ausführungsformen bereitgestellt wird;
B) Aufnehmen mindestens eines Bildes mindestens eines interessierenden Bereichs eines zu vermessenden Objekts mit dem optischen System an einer ersten Fokusebene;
C) Auswerten des Bildes, wobei eine Lageposition und mindestens ein Winkelanteil für den interessierenden Bereich relativ zu einem vorbestimmten Korrekturzentrum bestimmt werden; und
D) Bestimmen einer korrigierten Fokusebene für den interessierenden Bereich durch Anwenden der Astigmatismuskorrektur für den interessierenden Bereich, wobei die Astigmatismuskorrektur für den interessierenden Bereich ausgewählt wird gemäß der in Schritt C) bestimmten Lageposition und des in Schritt C) bestimmten Winkelanteils des interessierenden Bereichs.

Ausführungsform 15: Verfahren zur Korrektur eines Astigmatismus nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die erste Fokusebene durch eine Autofokusfunktion des optischen Systems bestimmt ist.
Ausführungsform 16: Verfahren zur Korrektur eines Astigmatismus nach einer der beiden vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das vorbestimmte Korrekturzentrum in einem Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur nach einer der vorhergehenden, ein Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur betreffenden Ausführungsformen bestimmt wird.
Ausführungsform 17: Koordinatenmessgerät, wobei das Koordinatenmessgerät mindestens eine Prozessoreinheit umfasst, wobei die Prozessoreinheit eingerichtet ist, ein Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur nach einer der vorhergehenden, ein Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur betreffenden Ausführungsformen durchzuführen und/oder ein Verfahren zur Korrektur eines Astigmatismus nach einer der vorhergehenden, ein Verfahren zur Korrektur eines Astigmatismus betreffenden Ausführungsformen durchzuführen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur;
2 ein optisches System eines optischen Koordinatenmessgeräts;
3A und B jeweils ein periodisches Muster;
4A und B Musterelemente sowie erste und zweite interessierende Bereiche;
5A und 5B jeweils eine Verteilung der Fokuspositionen;
6A, 6B und 6C ein periodisches Muster (6A), ein Verfahren zur Kantenbestimmung (6B) und die bestimmten Kanten (6C);
7 beispielhafte Fitfunktion für Astigmatismukorrektur; und
8 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Korrektur eines Astigmatismus.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur für ein optisches System 112 eines optischen Koordinatenmessgeräts 114. Das optische System 112 umfasst mindestens ein Objektiv 116 und mindestens eine Kamera 118, wie schematisch in 2 dargestellt. Das optische System 112 ist eingerichtet, an einer Mehrzahl von Fokusebenen 120 zu fokussieren. 2 zeigt ferner von einem Punkt in einer der Fokusebenen 120 in das optische System 112 einfallendes Licht 119. Das optische System 112 kann eine optische Achse 121 aufweisen.
Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

a) (Bezugsziffer 122) Aufnehmen mindestens eines Bildstapels mindestens eines Musters 124 umfassend eine Mehrzahl von Musterelementen 126 mit der Kamera 118, wobei der Bildstapel eine Mehrzahl von Bildern 128 an verschiedenen Fokusebenen 120 umfasst;
b) (Bezugsziffer 130) Identifizieren von Musterelementen 126 in den Bildern 128 und Zuordnen der identifizierten Musterelemente 126 zwischen den Bildern 128 mit mindestens einer Prozessoreinheit 134;
c) (Bezugsziffer 141) Bestimmen mindestens eines Korrekturzentrums 132 der Prozessoreinheit 134; und
d) (Bezugsziffer 143) Bestimmen der Astigmatismuskorrektur mit der Prozessoreinheit 134, wobei eine Mehrzahl von zweiten interessierenden Bereichen 142 um das jeweilige identifizierte Musterelement 126 in den Bildern 128 des Bildstapels bestimmt wird, wobei für die zweiten interessierenden Bereiche 142 unter Verwendung des Bildstapels Fokuspositionen 138 bestimmt werden, wobei weiterhin für die zweiten interessierenden Bereiche 142 jeweils eine Lageposition 144 relativ zu dem Korrekturzentrum 132 bestimmt wird, wobei weiterhin für die zweiten interessierenden Bereiche 142 jeweils mindestens ein Winkelanteil 146 relativ zu dem Korrekturzentrum 132 bestimmt wird, wobei die zweiten interessierenden Bereiche 142 für das jeweilige identifizierte Musterelement 126 zu einer Bildregion 148 mit bekannter Lageposition 144 zusammengefasst werden, wobei für jede Bildregion 148 eine Mehrzahl von möglichen Astigmatismuskorrekturen in Form von möglichen Fokuspositionen 138 bestimmt wird durch Bestimmen einer Abhängigkeit der Fokusposition 138 von dem Winkelanteil 146 der Bildregion 148 für jede Bildregion.

Die 3A und 3B zeigen jeweils beispielhaft ein Bild 128 eines periodischen Musters 124 wie es in Schritt a) 122 verwendet werden kann. 3A zeigt ein Punkteraster 150, 3B zeigt ein Radial-Tangential-Gitter 152. Die periodischen Muster 124 weisen jeweils eine Vielzahl von Musterelementen 126 auf. Dabei kann es sich insbesondere um Punkte 154 handeln, wie in 3A zu sehen. Weiterhin kann es sich bei den Musterelementen 126 um radiale Strukturen 155, wie Speichen 156, tangentiale Strukturen 157, wie Ringe 158, oder um sich kreuzende Linien 160 handeln.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann mindestens ein erster interessierender Bereich 136 um das jeweilige identifizierte Musterelement 126 in den Bildern 128 bestimmt werden. 4A zeigt beispielhaft einen quadratischen ersten interessierenden Bereich 136 um den Punkt 154 als bereits identifiziertes und zugeordnetes Musterelement 126. Das jeweilige identifizierte und zugeordnete Musterelement 126 kann vollständig in dem jeweiligen ersten interessierenden Bereich 136 enthalten sein, wobei der erste interessierende Bereich 136 weitere, das Musterelement 126 umgebende Bildbereiche aufweisen kann, wie in 4A zu sehen. Weiter zeigen 4A und 4B die zweiten interessierenden Bereiche 142.
Das Bestimmen der ersten interessierenden Bereich 136 kann dem Bestimmen des Korrekturzentrums 132 dienen. Für die ersten interessierenden Bereiche 136 können unter Verwendung des Bildstapels Fokuspositionen 138 bestimmt werden, wobei das Korrekturzentrum 132 als Extremum 140 der Fokuspositionen 138 bestimmt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch ein Bildpunkt mit vorbestimmter Bildposition, beispielsweise ein Bildpunkt in der Bildmitte, ein Bildpunkt am Rand des Bildes 128, insbesondere ein Bildpunkt in einer Bildecke, als das Korrekturzentrum 132 bestimmt werden oder ein ausgewählter Bereich des Musters - vorzugsweise bei einem Punktraster jeweils der Mittelpunkt des Chromkreises
Beispielsweise können bei Verwendung eines Punkterasters 150 als periodisches Muster 124, wie in 3A gezeigt, in Schritt b) auf jedem der Bilder 128 des Bildstapels eine Vielzahl von Punkten 154 identifiziert werden. Zwischen den Bildern 128 können diejenigen Punkte 154 einander zugeordnet werden, welche jeweils ein Abbild desselben Punktes 154 des Punkterasters 150 sind. Um jeden der identifizierten, zugeordneten Punkte 154 kann der mindestens eine erste interessierende Bereich 136 bestimmt werden, wie in 4A zu sehen. Weiterhin können nun diejenigen ersten interessierenden Bereiche 136 auf den verschiedenen Bildern 128 des Bildstapels einander zugeordnet werden, welche alle jeweils ein Abbild desselben Punktes 154 umfassen. Da die Bilder 128 des Bildstapels sich in der Fokusebene 120 unterscheiden, kann der Punkt 154 auf den verschiedenen Bildern 128 des Bildstapels unterschiedlich scharf abgebildet sein. Für einen ausgewählten Punkt 154 kann nun derjenige erste interessierende Bereich 136 bestimmt werden, auf dem der Punkt 154 scharf abgebildet ist. Als Fokusposition 138 für jeden der einander zugeordneten ersten interessierenden Bereiche 136 kann beispielsweise die z-Koordinate der Schärfeebene bestimmt werden, welche zur Erzeugung der scharfen Abbildung des Punktes 154 verwendet wurde. Die z-Koordinate kann jedoch auch aus einem Fit des Schärfeverlaufs, wie er beispielsweise durch Auswertung der Bilder des Bildstapels erstellt werden kann, bestimmt werden.
5A und 5B zeigen eine Verteilung 162 der Fokuspositionen 138. In dieser Fokuskarte können die Fokuspositionen 138 der ersten interessierenden Bereiche 136 in Abhängigkeit von einer Lageposition 144 der ersten interessierenden Bereiche 136 dargestellt sein. In den 5A und 5B gibt die x-Achse 164 die x-Koordinate der Kamerakoordinate und die y-Achse 166 die y-Koordinate der Kamerakoordinate des ersten interessierenden Bereichs 136, und damit die Lageposition, an, während die z-Achse 168 die Fokusposition 138 des ersten interessierenden Bereichs 136 angibt. Die Fokuskarte kann die Bildfeldwölbung darstellen. Je nach Objektivmodell kann es einen charakteristischen Verlauf dieser Wölbung geben. Im einfachsten Fall weist diese Karte ein eindeutiges, insbesondere globales, Extremum 140 auf. Das Korrekturzentrum 132 wird als Extremum 140 der Fokuspositionen 138, insbesondere der Verteilung, bestimmt, wie in 5B gezeigt. Das Extremum 140 kann möglichst genau bestimmt werden. Das Extremum 140, im dargestellten Fall ein Minimum 170, kann insbesondere bestimmt werden unter Verwendung einer Fitfunktion, beispielsweise einem Flächenpolynom 2. Ordnung. Für das Bestimmen der Astigmatismuskorrektur kann die optische Achse 121 des optischen Systems 112 derart parallel verschoben werden, dass sie durch das Korrekturzentrum 132 läuft. Eine Position des Korrekturzentrums 132 kann gespeichert werden, beispielsweise in mindestens einem Datenspeicher. Die Position des Korrekturzentrums 132 kann in Bildkoordinaten gespeichert werden, insbesondere in Pixelkoordinaten.
Alternativ oder zusätzlich sind andere Möglichkeiten zur Bestimmung des Korrekturzentrums 132 denkbar. Insbesondere kann, beispielsweise für den Fall eines nicht eindeutigen Extremums das Korrekturzentrum 132 auf eine fixe Position gesetzt werden, vorzugsweise eine Ecke im Bild 128 oder in das Zentrum bzw. einem fixen Punkt der Musterelemente
Schritt d) 143 umfasst ein Bestimmen der Astigmatismuskorrektur mit der Prozessoreinheit 134. Im Rahmen von Schritt d) 143 wird eine Mehrzahl von zweiten interessierenden Bereichen 142 um das jeweilige Musterelement 126 in den Bildern 128 des Bildstapels bestimmt. 4A zeigt beispielhaft einen Punkt 154 als Musterelement 126 und nebeneinander von rechts nach links den ersten interessierenden Bereich 136 sowie zwei zweite interessierende Bereiche 142. Der zweite interessierende Bereich 142 kann einen Ausschnitt, einen Abschnitt oder einen Teilbereich des identifizierten und zugeordneten Musterelements 126 umfassen, wie in der 4A zu sehen. Der zweite interessierende Bereich 142 kann weitere, das Musterelement 126 umgebende Bildbereiche aufweisen. Der zweite interessierende Bereich 142 kann beispielsweise ein Quadrat oder Rechteck 172 mit vordefinierter Kantenlänge sein. Die Prozessoreinheit 134 kann eingerichtet sein den zweiten interessierenden Bereich 142 auszuwählen.
Die ersten interessierenden Bereiche 136 können jeweils in die Mehrzahl von den zweiten interessierenden Bereichen 142 unterteilt werden. Beispielsweise kann ein erster interessierender Bereich 136 in mindestens zwei zweite interessierende Bereiche 142 unterteilt werden, wie in 4A zu sehen. Die zweiten interessierende Bereiche 142 können voneinander getrennt ausgestaltet sein oder einander teilweise überlappen, wie ebenfalls in 4A gezeigt. Der jeweils erste interessierende Bereich 136 kann vollständig oder teilweise in die Mehrzahl von den zweiten interessierenden Bereichen 142 unterteilt werden. Die zweiten interessierenden Bereiche 142 können sich in mindestens einer transversalen Koordinate unterscheiden, wie in 4A dargestellt, und/oder in ihrer Fläche, und/oder in ihrer Form. Eine Form des zweiten interessierenden Bereichs 142 kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Rechteck 172; einem Quadrat; gedrehten Rechtecken, Ringförmigen AOIs bzw. Ringsegmente.
Schritt d) 143 kann ein Zuordnen der zweiten interessierenden Bereiche 142 umfassen. Diejenigen zweiten interessierenden Bereiche 142 können einander zugeordnet werden, welche jeweils denselben Ausschnitt desselben identifizierten, zugeordneten Musterelements 126 umfassen. Unter Verwendung des Bildstapels werden die Fokuspositionen 138 für die zweiten interessierenden Bereiche 142 bestimmt. Die Mehrzahl der Bilder 128 des Bildstapels kann ausgewertet werden und für die jeweiligen identifizierten und zugeordneten Musterelemente 126 kann durch Auswerten des Bildstapels das Bild 128 identifiziert werden, in welchem der jeweilige zweite interessierende Bereich 142 scharf abgebildet wird. Die zweiten interessierenden Bereiche 142 eines ersten interessierenden Bereichs 136 können dabei identische Fokuspositionen 138 aufweisen oder verschiedene.
4B zeigt nebeneinander zwei Bilder 128 desselben Musterelements 126 mit jeweils einem zweiten interessierenden Bereich 142, wobei sich die zweiten interessierenden Bereiche 142 voneinander unterscheiden. Die Bilder 128 wurden an unterschiedlichen Fokusebenen 120 aufgenommen. Auf beiden Bildern 128 ist der jeweilige von dem zweiten interessierenden Bereich 142 umfasste Ausschnitt des Musterelements 126 scharf, weitere Anteile des Musterelements 126 hingegen unscharf. 4B veranschaulicht, dass bei vorhandenem Astigmatismus des Objektivs 116 je nach verwendetem zweiten interessierenden Bereich 142, insbesondere nach den von dem zweiten interessierenden Bereich 142 umfassten Strukturen, unterschiedliche Fokuspositionen 138 bestimmt werden.
Für die zweiten interessierenden Bereiche 142 wird jeweils eine Lageposition 144, insbesondere eine Bildposition, weiter insbesondere xy-Koordinaten, relativ zu dem Korrekturzentrum 132 bestimmt.
Schritt d) 143 umfasst das Bestimmen des mindestens einen Winkelanteils 146 relativ zu dem Korrekturzentrum 132 für die zweiten interessierenden Bereiche 142. Beispielsweise können zwei Winkelanteile 146 bestimmt werden, insbesondere der radiale Anteil und der tangentiale Anteil. Die radialen Elemente 155, auch als Speichen 156 bezeichnet, können eine andere Fokusposition 138 als die tangentialen Strukturen 157, auch als Ringe 158 bezeichnet, aufweisen. In Schritt d) 143 kann im zweiten AOI der Anteil der radialen 155 zu den tangentialen Strukturen 157 bestimmt werden. Zu diesem Zweck können Bildinhalte des zweiten AOI relativ zum Korrekturzentrum 132 ausgewertet werden. Insbesondere können die radialen Anteile und die tangentialen Anteile in ein Verhältnis gesetzt und damit der jeweilige Winkelanteil 146, auch als Astigmatismusanteil bezeichnet, berechnet werden.
Die 6A, 6B und 6C veranschaulichen in Zusammenschau beispielhaft das Bestimmen des Winkelanteils 146, insbesondere in Form der radialen und tangentialen Anteile, eines ausgewählten Bildbereichs, hier eines ersten interessierenden Bereichs 136, wie er auch zur Bestimmung des Winkelanteils 146, insbesondere der radialen und tangentialen Anteile, von zweiten interessierenden Bereichen 142 eingesetzt werden kann. 6A zeigt ein Radial-Tangential-Gitter 152 als periodisches Muster 124 mit einer Vielzahl von ersten interessierenden Bereichen 136 umfassend sich kreuzende Linien 160 als Musterelemente 126.
Die radialen und die tangentialen Astigmatismusanteile 146 können unter Verwendung mindestens eines modifizierten Sobel-Operators bestimmt werden. Zur Berechnung der radialen und tangentialen Anteile kann der modifizierter Sobel-Operator auf den ersten interessierenden Bereich 136 angewendet werden. Der Sobel-Operator oder Erweiterungen davon sind Standardalgorithmen zur Kantendetektion in der Bildverarbeitung. Für die Astigmatismuskorrektur können die Koeffizienten des Operators in Abhängigkeit zur Lage des ersten interessierenden Bereichs 136 relativ zum Korrekturzentrum 132 bestimmt werden. Beispielsweise kann eine Lage des ersten interessierenden Bereichs 136 zum Korrekturzentrum 132 bestimmt werden. Der Sobel-Operator kann derart gedreht werden, so dass Kanten radial zum Korrekturzentrum 132 berechnet werden. Weiter kann der Sobel-Operator derart gedreht werden, so dass Kanten tangential zum Korrekturzentrum 132 berechnet werden. 6B veranschaulicht die Anwendung des modifizierten Sobel-Operators in radialer 174 und in tangentialer 176 Richtung relativ zu dem Korrekturzentrum 132 für zwei verschiedene erste interessierende Bereiche 136. Anschließend kann ein Verhältnis der beiden Kantenanteile im AOI bestimmt werden, insbesondere um Astigmatismusbeiträge zu berechnen. Auch andere Methoden oder Algorithmen zur Kantendetektion sind jedoch denkbar. 6C zeigt beispielhaft für einen der ersten interessierenden Bereiche 136 aus 6A linkerhand, die mithilfe des modifizierten Sobel-Operators detektierten radialen Strukturen 155, und rechterhand, die mithilfe des modifizierten Sobel-Operators detektierten tangentialen Strukturen 157.
In Schritt d) 143 werden die zweiten interessierenden Bereiche 142 für das jeweilige identifizierte Musterelement 126 zu einer Bildregion 148 mit bekannter Lageposition 144 zusammengefasst, wobei für jede Bildregion 148 eine Abhängigkeit der Fokusposition 138 von dem Winkelanteil 146 der Bildregion 148 bestimmt wird. Insbesondere können für jede der Bildregionen 148 abhängig von Winkelanteil 146 der Bildregion 148 Astigmatismuskorrekturen bestimmt werden. Die Astigmatismuskorrektur kann insbesondere ein Bestimmen mindestens eines der folgenden Elemente umfassen: eine zu erwartende Fokusposition 138, insbesondere eine z-Koordinate der Fokusposition 138; einem Abstand der Fokusposition 138 zu dem Objektiv 116; eine Differenz zwischen einer aktuellen und einer zu erwartenden Fokusposition 138; einen Fitparameter, insbesondere ein Fitparameter zur Bestimmung der zu erwartenden Fokusposition.
Für einen zweiten interessierenden Bereich 142 können die Lageposition 144, der Winkelanteil, insbesondere die beiden Astigmatismusanteile, sowie die Fokusposition 138 bestimmt werden. Die zweiten interessierenden Bereiche 142 werden für das jeweilige identifizierte Musterelement 126 zu einer Bildregion 148, insbesondere dem ersten interessierenden Bereich 136, mit bekannter Lageposition 144 zusammengefasst. Die zweiten interessierenden Bereiche 142 können derart zu Bildregionen 148 zusammengefasst werden, dass für jede Bildregion 148 eine Mehrzahl von verschiedenen Winkelanteilen 146 und zugehörigen Fokuspositionen 138 vorliegen. Für eine Bildregion 148 können nun Astigmatismuskorrekturen in Form von Korrekturwerten in einer Look-up-Tabelle hinterlegt werden, wobei der Korrekturwert abhängig sein kann von dem Winkelanteil 146 der Bildregion 148. Ein Ausschnitt aus einer solchen Look-up-Tabelle kann beispielsweise folgendermaßen aussehen:

Astigmatismusanteil (AST) in % Korrekturwert dZ in µm

10 40

50 60

90 80
Zu sehen ist eine Zuordnung einer Astigmatismukorrektur in Form eines Korrekturwertes, der eine Differenz zwischen einer aktuellen oder anderweitig bereits ermittelten, vorgeschlagenen oder verwendeten Fokusposition 138 und der in Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmten Fokusposition 138 angeben kann, und den Astigmatismusanteilen 146 der Bildregion 148, wobei die Astigmatismusanteile 146 im vorliegenden Tabellenausschnitt zu einem Astigmatismuskoeffizienten verrechnet wurden (in Tabelle abgekürzt als AST).
Ein Ausschnitt aus einer alternativen Look-up-Tabelle zeigt eine Zuordnung zwischen möglichen Hauptkantenwinkeln der Bildregion 148, wie sie beispielsweise aus den zweiten interessierenden Bereichen 142 ermittelt werden, welche zu der Bildregion 148 gehören, und jeweils einen zugehörigen Fitkoeffizienten, mit dem die Astigmatismuskorrektur für die Bildregion 148 bestimmt, beispielsweise berechnet, werden kann. Der Winkel kann hier die jeweiligen Hauptkantenwinkel der zweiten interessierenden Bereiche 142 angeben, insbesondere die Hauptkantenrichtung relativ zum Korrekturzentrum 132

Winkel Fitkoeffizienten für Korrekturwert dZ

10 0

100 0.013

190 0.24

270 3.45
Die Abhängigkeit der Astigmatismuskorrektur von den Astigmatismusanteilen 146 der Bildregion 148, kann durch eine Fitfunktion 180 bestimmt werden, beispielsweise durch eine lineare Fitfunktion 180 oder mit einem Polynom höherer Ordnung. Für eine stabile Korrektur kann eine Glättung der Daten zur Ausreißer-Unterdrückung erfolgen. 7 zeigt beispielhaft eine lineare Fitfunktion 180 unter Verwendung der Daten der ersten obigen Look-up-Tabelle. Aufgetragen ist die Astigmatismuskorrektur an der y-Achse 166 gegen den Astigmatismusanteil 146 an der x-Achse 164. In diesem in 7 gezeigten Beispiel kann die Fitfunktion 180: y = 0.5 x + 35 sein.
8 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispieles eines Verfahrens zur Korrektur eines Astigmatismus des optischen Systems 112 des optischen Koordinatenmessgeräts 114. Das optische System 112 umfasst das mindestens eine Objektiv 116 und die mindestens eine Kamera 118. Das optische System 112 ist eingerichtet, an der Mehrzahl von Fokusebenen 120 zu fokussieren.
Das Verfahren zur Korrektur eines Astigmatismus weist die folgenden Schritte auf:

A) (Bezugsziffer 184) Bereitstellen der mindestens einen Astigmatismuskorrektur, wobei die Astigmatismuskorrektur unter Verwendung von dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur bereitgestellt wird;
B) (Bezugsziffer 186) Aufnehmen mindestens eines Bildes 128 mindestens eines interessierenden Bereichs eines zu vermessenden Objekts mit dem optischen System 112 an einer ersten Fokusebene 120;
C) (Bezugsziffer 188) Auswerten des Bildes 128, wobei die Lageposition 144 und der mindestens eine Winkelanteil 146 für den interessierenden Bereich relativ zu einem vorbestimmten Korrekturzentrum 132 bestimmt werden; und
D) (Bezugsziffer 190) Bestimmen einer korrigierten Fokusebene 120 für den interessierenden Bereich durch Anwenden der Astigmatismuskorrektur für den interessierenden Bereich, wobei die Astigmatismuskorrektur für den interessierenden Bereich ausgewählt wird gemäß der in Schritt C) bestimmten Lageposition 144 und des in Schritt C) bestimmten Winkelanteils 146 des interessierenden Bereichs.

Die erste Fokusebene 120 kann durch eine Autofokusfunktion des optischen Systems 112 bestimmt sein. Insbesondere kann die erste Fokusebene 120 in einem Autofokusverfahren des optischen Systems 112, insbesondere der Kamera 118, bestimmt werden und ein Ergebnis oder Zwischenergebnis des Autofokusverfahrens sein. Weiterhin kann das Verfahren zur Korrektur eines Astigmatismus sich an das Autofokusverfahren anschließen und/oder Teil des Autofokusverfahrens sein, insbesondere indem es das Ergebnis des Autofokusverfahrens verbessert, korrigiert oder verfeinert, insbesondere durch das Bestimmen der korrigierten Fokusebene 120. Das vorbestimmte Korrekturzentrum 132 kann insbesondere bestimmt werden in einem Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur, wie es weiter oben bereits beschrieben wurde oder wie weiter unten noch näher ausgeführt. Insbesondere kann es sich bei dem Korrekturzentrum 132 um das Extremum der Fokuspositionen 138 der ersten interessierenden Bereiche oder um das Extremum 140 der Verteilung der Fokuspositionen 138 der ersten interessierenden Bereiche 136 handeln.
Bezugszeichenliste

112: optisches System
114: optisches Koordinatenmessgerät
116: Objektiv
118: Kamera
119: einfallendes Licht
120: Fokusebene
121: optische Achse
122: Schritt a)
124: Muster
126: Musterelement
128: Bild
130: Schritt b)
132: Korrekturzentrum
134: Prozessoreinheit
136: erster interessierender Bereich
138: Fokusposition
140: Extremum
141: Schritt c)
142: zweite interessierende Bereiche
143: Schritt d)
144: Lageposition
146: Astigmatismusanteil
148: Bildregion
150: Punkteraster
152: Radial-Tangential-Gitter
154: Punkt
155: radiale Struktur
156: Speiche
157: tangentiale Struktur
158: Ring
160: sich kreuzende Linien
162: Verteilung
164: x-Achse
166: y-Achse
168: z-Achse
170: Minimum
172: Rechteck
174: radiale Richtung
176: tangentiale Richtung
178: Look-up-Tabelle
180: Fitfunktion
184: Schritt A
186: Schritt B
188: Schritt C
190: Schritt D

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7724942 B2 [0007]
US 8311311 B2 [0008]
US 8534113 B2 [0008]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur für ein optisches System (112) eines optischen Koordinatenmessgeräts (114), wobei das optische System (112) mindestens ein Objektiv (116) und mindestens eine Kamera (118) umfasst, wobei das optische System (112) eingerichtet ist, an einer Mehrzahl von Fokusebenen (120) zu fokussieren, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Aufnehmen mindestens eines Bildstapels mindestens eines Musters (124) umfassend eine Mehrzahl von Musterelementen (126) mit der Kamera (118), wobei der Bildstapel eine Mehrzahl von Bildern (128) an verschiedenen Fokusebenen (120) umfasst, b) Identifizieren von Musterelementen (126) in den Bildern (128) und Zuordnen der identifizierten Musterelemente (126) zwischen den Bildern (128) mit mindestens einer Prozessoreinheit (134); c) Bestimmen mindestens eines Korrekturzentrums (132) mit der Prozessoreinheit (134); und d) Bestimmen der Astigmatismuskorrektur mit der Prozessoreinheit (134), wobei eine Mehrzahl von zweiten interessierenden Bereichen (142) um das jeweilige identifizierte Musterelement (126) in den Bildern (128) des Bildstapels bestimmt wird, wobei für die zweiten interessierenden Bereiche (142) unter Verwendung des Bildstapels Fokuspositionen (138) bestimmt werden, wobei für die zweiten interessierenden Bereiche (142) jeweils eine Lageposition (144) relativ zu dem Korrekturzentrum (132) bestimmt wird, wobei für die zweiten interessierenden Bereiche (142) jeweils mindestens ein Winkelanteil (146) relativ zu dem Korrekturzentrum (132) bestimmt wird, wobei die zweiten interessierenden Bereiche (142) für das jeweilige identifizierte Musterelement (126) zu einer Bildregion (148) mit bekannter Lageposition (144) zusammengefasst werden, wobei für jede Bildregion (148) eine Mehrzahl von möglichen Astigmatismuskorrekturen in Form von möglichen Fokuspositionen (138) bestimmt wird, durch Bestimmen einer Abhängigkeit der Fokusposition (138) von dem Winkelanteil der Bildregion (148) für jede Bildregion.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Bestimmen des Korrekturzentrums (132) in Schritt c) mindestens einen der folgenden Schritte umfasst: i) ein Bestimmen mindestens eines ersten interessierenden Bereichs (136) um das jeweilige identifizierte Musterelement (126) in den Bildern (128), wobei für die ersten interessierenden Bereiche (136) unter Verwendung des Bildstapels Fokuspositionen (138) bestimmt werden, wobei das Korrekturzentrum (132) als Extremum (140) der Fokuspositionen (138) bestimmt wird; oder ii) ein Bestimmen eines Bildpunktes mit vorbestimmter Bildposition als Korrekturzentrum (132).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zweite interessierende Bereich (142) jeweils ein Teilbereich eines der ersten interessierenden Bereiche (136) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Musterelement (126) ein strukturiertes Musterelement (126) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Muster (124) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem Punkteraster (150); einem Radial-Tangential-Gitter (152); einem Siemensstern; einer Mehrzahl von Siemenssternen; einer Mehrzahl von Kreuzen; einer Mehrzahl von Ringen, insbesondere einer Mehrzahl von konzentrischen Ringen oder zu einem Raster angeordneten Ringen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt d) die Mehrzahl von Bildern (128) des Bildstapels ausgewertet wird, wobei für die jeweiligen identifizierten und zugeordneten Musterelemente (126) durch Auswerten des Bildstapels das Bild (128) identifiziert wird, in welchem der jeweilige erste interessierende Bereich (136) scharf abgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Bestimmen der Astigmatismuskorrektur die zweiten interessierenden Bereiche (142) derart zu Bildregionen (148) zusammengefasst werden, dass für jede der Bildregionen (148) eine Mehrzahl von verschiedenen Astigmatismusanteilen (146) und zugehörigen Fokuspositionen (138) vorliegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Astigmatismuskorrektur ein Bestimmen mindestens eines der folgenden Elemente umfasst: eine z-Koordinate der Fokusposition; einen Abstand der Fokusposition (138) zu dem Objektiv (116); eine Differenz zwischen einer aktuellen und einer zu erwartenden Fokusposition (138).
Verfahren zur Korrektur eines Astigmatismus eines optischen Systems (112) eines optischen Koordinatenmessgeräts (114), wobei das optische System (112) mindestens ein Objektiv (116) und mindestens eine Kamera (118) umfasst, wobei das optische System (112) eingerichtet ist, an einer Mehrzahl von Fokusebenen (120) zu fokussieren, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: A) Bereitstellen mindestens einer Astigmatismuskorrektur, wobei die Astigmatismuskorrektur unter Verwendung von einem Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur nach einem der vorhergehenden, ein Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur betreffenden Ansprüche bereitgestellt wird; B) Aufnehmen mindestens eines Bildes (128) mindestens eines interessierenden Bereichs eines zu vermessenden Objekts mit dem optischen System (112) an einer ersten Fokusebene (120); C) Auswerten des Bildes (128), wobei eine Lageposition (144) und mindestens ein Winkelanteil (146) für den interessierenden Bereich relativ zu einem vorbestimmten Korrekturzentrum (132) bestimmt werden; und D) Bestimmen einer korrigierten Fokusebene (120) für den interessierenden Bereich durch Anwenden der Astigmatismuskorrektur für den interessierenden Bereich, wobei die Astigmatismuskorrektur für den interessierenden Bereich ausgewählt wird gemäß der in Schritt C) bestimmten Lageposition (144) und des in Schritt C) bestimmten Winkelanteils (146) des interessierenden Bereichs.
Koordinatenmessgerät (114), wobei das Koordinatenmessgerät (114) mindestens eine Prozessoreinheit (134) umfasst, wobei die Prozessoreinheit (134) eingerichtet ist, ein Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur nach einem der vorhergehenden, ein Verfahren zum Bestimmen einer Astigmatismuskorrektur betreffenden Ansprüche durchzuführen und/oder ein Verfahren zur Korrektur eines Astigmatismus nach einem der vorhergehenden, ein Verfahren zur Korrektur eines Astigmatismus betreffenden Ansprüche durchzuführen.