DE102021118429B4 - Process and device for 3D coordinate measurement using the autofocus process - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur 3D-Koordinatenmessung nach dem Autofokusverfahren mit folgenden Schritten:a) Bereitstellen einer Kamera (34), die eine Abbildungsoptik (38) und einen Bildsensor (36) enthält, wobei die Abbildungsoptik (38) eine optische Achse (52) und eine Objektebene (56) hat, die auf den Bildsensor (36) abgebildet wird;b) Beleuchten eines zu vermessenden Werkstücks (26) mit Messlicht;c) Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück (26) und der Objektebene (56) entlang der optischen Achse (52) der Abbildungsoptik (38);d) Aufnehmen von Bildern der Oberfläche (40) des Werkstücks (26) auf dem Bildsensor (36) zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Relativbewegung;e) Speichern der vom Bildsensor (36) während der Relativbewegung aufgenommenen Bilder;f) Berechnen von 3D-Koordinaten der Oberfläche (40) des Werkstücks (26) durch Auswertung zumindest eines Teils der in Schritt e) gespeicherten Bilder;dadurch gekennzeichnet, dasswährend des Schritts d) eine im Strahlengang des Messlichts angeordnete Filtereinrichtung (4; 44; 44', 44", 44''') zumindest einen Teil von ersten Messlichtstrahlen (48a) abschwächt, die von dem Werkstück (26) unter ersten Winkeln bezüglich einer zur optischen Achse (52) parallelen Richtung (z) ausgehen, die kleiner sind als ein vorgegebener Grenzwinkel, unddass die Filtereinrichtung (4; 44; 44', 44", 44''') zumindest einen Teil von zweiten Messlichtstrahlen (48b) nicht oder zumindest weniger abschwächt als die ersten Messlichtstrahlen (48a), wobei die zweiten Messlichtstrahlen (48b) von dem Werkstück (26) unter zweiten Winkeln bezüglich der zur optischen Achse (52) parallelen Richtung (z) ausgehen, die größer sind als der vorgegebene Grenzwinkel.Method for 3D coordinate measurement using the autofocus method with the following steps: a) providing a camera (34) containing imaging optics (38) and an image sensor (36), the imaging optics (38) having an optical axis (52) and an object plane (56) which is imaged on the image sensor (36);b) illuminating a workpiece (26) to be measured with measuring light;c) generating a relative movement between the workpiece (26) and the object plane (56) along the optical axis ( 52) the imaging optics (38);d) recording images of the surface (40) of the workpiece (26) on the image sensor (36) at different times during the relative movement;e) storing the images recorded by the image sensor (36) during the relative movement ;f) calculating 3D coordinates of the surface (40) of the workpiece (26) by evaluating at least some of the images stored in step e); characterized in that during step d) a filter device (4; 44; 44', 44", 44''') attenuates at least part of first measuring light beams (48a) which emanate from the workpiece (26) at first angles with respect to a direction (z) parallel to the optical axis (52) which are smaller than a predetermined limit angle, and that the filter device (4; 44; 44', 44", 44''') does not attenuate at least part of the second measuring light beams (48b) or at least less than the first measuring light beams (48a), the second measuring light beams (48b) emanate from the workpiece (26) at second angles with respect to the direction (z) parallel to the optical axis (52), which angles are greater than the predetermined critical angle.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

1. Gebiet der Erfindung1. Field of the Invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zur optischen 3D-Koordinatenmessung nach dem Autofokusverfahren. Bei solchen Verfahren und Geräten werden Bilder von der Oberfläche eines Werkstücks aus unterschiedlichen Abständen aufgenommen. Aus Schärfeinformationen der Bilder kann ein 3D-Profil des Werkstücks gewonnen werden.The invention relates to a method and a device for optical 3D coordinate measurement using the autofocus method. Such methods and devices take pictures of the surface of a workpiece from different distances. A 3D profile of the workpiece can be obtained from the sharpness information of the images.

2. Beschreibung des Standes der Technik2. Description of the Prior Art

Zur Messung der Geometrie von Werkstücken werden im Stand der Technik Koordinatenmessgeräte eingesetzt. Solche Messungen finden beispielsweise im Rahmen der Qualitätssicherung oder eines sogenannten „Reverse Engineering“ statt. Die teilweise komplexen Messaufgaben werden in aller Regel auf die Messung der räumlichen Koordinaten einer Anzahl von Einzelpunkten reduziert.In the prior art, coordinate measuring devices are used to measure the geometry of workpieces. Such measurements take place, for example, as part of quality assurance or so-called "reverse engineering". The sometimes complex measurement tasks are usually reduced to measuring the spatial coordinates of a number of individual points.

Die Koordinatenmessgeräte enthalten einen Sensor, dessen Position relativ zu dem zu vermessenden Werkstück mit Hilfe von Antrieben veränderbar ist. Vor allem bei kleineren Koordinatenmessgeräten befindet sich das Werkstück auf einem Kreuztisch, der entlang zweier horizontaler Koordinatenachsen x, y mit hoher Genauigkeit verfahren werden kann. Der Sensor ist in der Regel an einer Pinole befestigt, die mit ähnlich hoher Genauigkeit vertikal (d.h. in z-Richtung) verfahren werden kann. Wenn besonders große oder schwere Werkstücke vermessen werden sollen, kommen in Portalbauweise ausgeführte Koordinatenmessgeräte zum Einsatz, bei denen das Werkstück ruht und nur der Sensor verfahren wird.The coordinate measuring machines contain a sensor whose position relative to the workpiece to be measured can be changed with the aid of drives. In the case of smaller coordinate measuring machines, in particular, the workpiece is located on a cross table that can be moved with high accuracy along two horizontal coordinate axes x, y. The sensor is usually attached to a quill, which can be moved vertically (i.e. in the z-direction) with a similarly high level of accuracy. If particularly large or heavy workpieces are to be measured, coordinate measuring machines with a portal design are used, in which the workpiece is stationary and only the sensor is moved.

Bei den Sensoren für Koordinatenmessgeräten unterscheidet man zwischen optischen und taktilen Sensoren. Während bei taktilen Sensoren die Information über die Lage eines Messpunkts durch Berühren des Messpunkts mit einem Antastelement erzeugt wird, wird bei optischen Sensoren die Information über die Lage des Messpunkts durch Licht übertragen.When it comes to sensors for coordinate measuring machines, a distinction is made between optical and tactile sensors. While with tactile sensors the information about the position of a measuring point is generated by touching the measuring point with a probing element, with optical sensors the information about the position of the measuring point is transmitted by light.

Bei einem Typ von derartigen optischen Sensoren werden die z-Koordinaten der Werkstückoberfläche mit Hilfe des Autofokusverfahrens bestimmt. Der Sensor weist hierzu eine Kamera mit einer Abbildungsoptik und einem Bildsensor auf. Wird die Pinole mit dem daran befestigten Sensor vertikal entlang der optischen Achse der Abbildungsoptik verfahren, wird nur in einer z-Position der Kamera eine scharfe Abbildung derjenigen Bereiche der Oberfläche des Werkstücks erzeugt, die sich auf der gleichen Höhe befinden. Außerhalb dieser Position ist der Bildsensor defokussiert, so dass diese Oberflächenbereiche auf den aufgenommenen Bildern unscharf wiedergegeben sind.In one type of optical sensor of this type, the z-coordinates of the workpiece surface are determined using the autofocus method. For this purpose, the sensor has a camera with imaging optics and an image sensor. If the quill with the sensor attached to it is moved vertically along the optical axis of the imaging optics, a sharp image of those areas of the surface of the workpiece that are at the same height is only generated in a z-position of the camera. Outside this position, the image sensor is out of focus, so that these surface areas are blurred in the recorded images.

Als Kenngröße für den Schärfezustand der auf dem Bildsensor entstehenden Bilder wird in der Regel der Kontrast verwendet. Der Kontrast für einen bestimmten Punkt auf der Oberfläche des Werkstücks wird maximal, wenn sich der Punkt exakt in der Objektebene der Abbildungsoptik der Kamera befindet. Da die Lage der Objektebene in einem Bezugssystem des Koordinatenmessgeräts mit hoher Genauigkeit bekannt ist, lässt sich der Abstand zu diesem Punkt und damit seine z-Koordinate auf dieser Weise sehr genau messen. Je schneller der Kontrast abfällt, wenn der Punkt aus der Objektebene herauswandert, desto höher ist die Genauigkeit dieser Messung.The contrast is usually used as a parameter for the sharpness of the images created on the image sensor. The contrast for a specific point on the surface of the workpiece is at its maximum when the point is located exactly in the object plane of the imaging optics of the camera. Since the position of the object plane in a reference system of the coordinate measuring machine is known with a high level of accuracy, the distance to this point and thus its z-coordinate can be measured very precisely in this way. The faster the contrast falls as the point moves out of the object plane, the higher the accuracy of this measurement.

Um für ein bestimmtes Werkstück eine 3D-Koordinatenmessung nach dem Autofokusverfahren durchzuführen, muss somit eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Objektebene entlang der optischen Achse der Abbildungsoptik erzeugt werden. Hierzu kann entweder das Werkstück, die Kamera oder beides in z-Richtung verfahren werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Lage der Objektebene durch Verschieben von einzelnen Linsen der Abbildungsoptik oder mit Hilfe eines optischen Elements mit variabler Brechkraft (z.B. einer Flüssiglinse) verändert werden. Die zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Relativbewegung aufgenommenen Bilder der Werkstückoberfläche werden gespeichert, um anschließend über die Kontrastbestimmung die 3D-Koordinaten der Werkstückoberfläche zu berechnen. Aus den Bildern, in denen bestimmte Bereiche der Werkstückoberfläche scharf wiedergegeben sind, können zusätzlich mit Hilfe von Bildverarbeitungsalgorithmen Kanten und andere Konturen bestimmt und mit den gemessenen z-Koordinaten korreliert werden.In order to carry out a 3D coordinate measurement for a specific workpiece using the autofocus method, a relative movement between the workpiece and the object plane along the optical axis of the imaging optics must be generated. For this purpose, either the workpiece, the camera or both can be moved in the z-direction. Alternatively or in addition to this, the position of the object plane can be changed by moving individual lenses of the imaging optics or by using an optical element with variable refractive power (e.g. a liquid lens). The images of the workpiece surface recorded at different points in time during the relative movement are stored in order to then calculate the 3D coordinates of the workpiece surface by determining the contrast. Edges and other contours can also be determined from the images, in which certain areas of the workpiece surface are reproduced sharply, with the aid of image processing algorithms and correlated with the measured z-coordinates.

Koordinatenmessgeräte, die nach dem vorstehend erläuterten Prinzip des Autofokusverfahrens die z-Koordinaten berechnen, werden von der Anmelderin unter der Marke ZEISS O-INSPECT vertrieben und sind beispielsweise in der DE 10 2016 202 928 A1 beschrieben.Coordinate measuring machines that calculate the z-coordinates according to the principle of the autofocus method explained above are sold by the applicant under the brand name ZEISS O-INSPECT and are, for example, in DE 10 2016 202 928 A1 described.

Wie bereits erwähnt, hängen die Empfindlichkeit des Autofokusverfahrens und damit die Messgenauigkeit in z-Richtung vor allem davon ab, wie schnell der Kontrast abfällt, wenn der Punkt aus der Objektebene herauswandert. Je kleiner also der axiale Bereich ist, in dem Punkte auf der Oberfläche des Werkstücks scharf dargestellt werden, desto größer ist die Messgenauigkeit. Dieser auch als Schärfentiefe bezeichnete Bereich hängt unmittelbar von der numerischen Apertur der Abbildungsoptik ab. Je größer die numerische Apertur der Abbildungsoptik ist, desto geringer ist die Schärfentiefe und desto genauer sind die mit Hilfe des Autofokusverfahrens gemessenen z-Koordinaten.As already mentioned, the sensitivity of the autofocus method and thus the measurement accuracy in the z-direction depend above all on how quickly the contrast falls when the point moves out of the object plane. The smaller the axial range in which points on the workpiece surface are sharp, the greater the measurement accuracy. This one also as Schär The area designated as depth depends directly on the numerical aperture of the imaging optics. The larger the numerical aperture of the imaging optics, the smaller the depth of field and the more accurate the z-coordinates measured using the autofocus method.

Wenn man bei einer gegebenen Größe des Messfeldes (also des auf den Bildsensor abbildbaren Objektfeldes in der Objektebene der Abbildungsoptik) die numerische Apertur erhöhen möchte, erfordert dies jedoch eine größere Abbildungsoptik. Optiken mit größeren Durchmessern sind jedoch signifikant teurer. Außerdem wird durch eine größere Optik der Sensor insgesamt schwerer. Dies stellt wiederum höhere Anforderungen an die mechanischen Bauteile des Koordinatenmessgeräts, die zur präzisen Führung des Sensors benötigt werden.However, if you want to increase the numerical aperture for a given size of the measuring field (ie the object field that can be imaged on the image sensor in the object plane of the imaging optics), this requires larger imaging optics. However, optics with larger diameters are significantly more expensive. In addition, larger optics make the sensor heavier overall. This, in turn, places higher demands on the mechanical components of the coordinate measuring machine, which are needed for the precise guidance of the sensor.

Soll die numerische Apertur bei gleichbleibender Größe der Abbildungsoptik erhöht werden, so ist dies nur möglich, wenn die Größe des Messfeldes verringert wird. Dies ist jedoch ebenfalls nachteilig, da kleine Messfelder zu längeren Messzeiten führen.If the numerical aperture is to be increased while the size of the imaging optics remains the same, this is only possible if the size of the measuring field is reduced. However, this is also disadvantageous since small measuring fields lead to longer measuring times.

Aus der DE 10 2014 223 387 A1 ist ein Verfahren zur 3D-Koordinatenmessung bekannt, bei dem ein Pupillenfilter eingesetzt wird, das am Rand eine höhere Transparenz als in der Pupillenmitte hat. Während der Aufnahme eines vorläufigen Bildes führt die Fokusebene vergleichsweise hochfrequente Modulationen um eine Ruhelage aus. Dadurch werden während der Bildintegration auftretende unscharfe Bildbeiträge entfernt und somit eine Schärfentiefeerweiterung erzielt.From the DE 10 2014 223 387 A1 a method for 3D coordinate measurement is known, in which a pupil filter is used, which has a higher transparency at the edge than in the middle of the pupil. During the recording of a preliminary image, the focal plane performs comparatively high-frequency modulations around a resting position. As a result, blurred image contributions that occur during image integration are removed and thus an extension of the depth of field is achieved.

Die DE 10 2007 022 218 A1 offenbart die Verwendung unterschiedlicher Blenden in einer Messkamera.The DE 10 2007 022 218 A1 discloses the use of different apertures in a measuring camera.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Aufgabe der Erfindung ist es deswegen, ein Verfahren und ein Gerät zur 3D-Koordinatenmessung nach dem Autofokusverfahren anzugeben, bei dem die Messgenauigkeit in z-Richtung erhöht ist, ohne dass sich dies nachteilig auf die Größe der Abbildungsoptik oder des Messfeldes auswirkt.The object of the invention is therefore to specify a method and a device for 3D coordinate measurement using the autofocus method, in which the measurement accuracy in the z-direction is increased without this having a negative effect on the size of the imaging optics or the measurement field.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit folgenden Schritten gelöst:

  1. a) Bereitstellen einer Kamera, die eine Abbildungsoptik und einen Bildsensor enthält, wobei die Abbildungsoptik eine optische Achse und eine Objektebene hat, die auf den Bildsensor abgebildet wird;
  2. b) Beleuchten eines zu vermessenden Werkstücks mit Messlicht;
  3. c) Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Objektebene entlang der optischen Achse der Abbildungsoptik;
  4. d) Aufnehmen von Bildern der Oberfläche des Werkstücks auf dem Bildsensor zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Relativbewegung;
  5. e) Speichern der vom Bildsensor während der Relativbewegung aufgenommenen Bilder;
  6. f) Berechnen von 3D-Koordinaten der Oberfläche des Werkstücks durch Auswertung zumindest eines Teils der in Schritt e) gespeicherten Bilder;

wobei
während des Schritts d) eine im Strahlengang des Messlichts angeordnete Filtereinrichtung zumindest einen Teil von ersten Messlichtstrahlen abschwächt, die von dem Werkstück unter ersten Winkeln bezüglich einer zur optischen Achse parallelen Richtung ausgehen, die kleiner sind als ein vorgegebener Grenzwinkel, und wobei
die Filtereinrichtung zumindest einen Teil von zweiten Messlichtstrahlen nicht oder zumindest weniger abschwächt als die ersten Messlichtstrahlen, wobei die zweiten Messlichtstrahlen von dem Werkstück unter zweiten Winkeln bezüglich der zur optischen Achse parallelen Richtung ausgehen, die größer sind als der vorgegebene Grenzwinkel.With regard to the method, this task is solved by a method with the following steps:
  1. a) providing a camera containing imaging optics and an image sensor, the imaging optics having an optical axis and an object plane which is imaged onto the image sensor;
  2. b) illuminating a workpiece to be measured with measuring light;
  3. c) generating a relative movement between the workpiece and the object plane along the optical axis of the imaging optics;
  4. d) recording images of the surface of the workpiece on the image sensor at different points in time during the relative movement;
  5. e) storing the images recorded by the image sensor during the relative movement;
  6. f) calculating 3D coordinates of the surface of the workpiece by evaluating at least some of the images stored in step e);

whereby
during step d) a filter device arranged in the beam path of the measuring light attenuates at least part of the first measuring light beams, which emanate from the workpiece at first angles with respect to a direction parallel to the optical axis, which are smaller than a predetermined critical angle, and wherein
the filter device does not attenuate at least part of the second measuring light beams or at least less than the first measuring light beams, wherein the second measuring light beams emanate from the workpiece at second angles with respect to the direction parallel to the optical axis, which angles are greater than the specified critical angle.

Vereinfacht ausgedrückt, werden erfindungsgemäß unter kleinen Winkeln in die Abbildungsoptik eintretende Messlichtstrahlen gegenüber den schräger eintretenden Messlichtstrahlen abgeschwächt. Dies hat zur Folge, dass Messlichtstrahlen, die einer kleineren numerischen Apertur entsprechen und für die deswegen die Tiefenschärfe am größten ist, nicht oder nur noch in einem geringeren Umfang zur Abbildung beitragen. Durch die Abschwächung dieses Anteils der Messlichtstrahlen wird somit relativ gesehen der Beitrag der Messlichtstrahlen zur Abbildung erhöht, für welche die Tiefenschärfe geringer ist.Expressed in simple terms, according to the invention, measuring light beams entering the imaging optics at small angles are weakened compared to the measuring light beams entering at an angle. The result of this is that measuring light beams that correspond to a smaller numerical aperture and for which the depth of field is therefore the greatest do not contribute to the imaging, or only to a lesser extent. The weakening of this proportion of the measuring light beams thus increases the contribution of the measuring light beams to the image, for which the depth of field is smaller, in relative terms.

Der Erfinder hat erkannt, dass bereits durch diese Verschiebung der Gewichtung die Tiefenschärfe verringert wird, ohne dass dazu die numerische Apertur im Vergleich zu herkömmlichen Abbildungsoptiken vergrößert werden muss. Bei der Messung der z-Koordinaten macht sich dies dadurch bemerkbar, dass sich der Kontrast bei der axialen Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Objektebene pro Längeneinheit stärker ändert, als wenn man die unter kleinen Winkeln in die Abbildungsoptik eintretenden Messlichtstrahlen wie bislang üblich ohne Abschwächung zur Abbildung beitragen lässt.The inventor has recognized that the depth of field is already reduced by this shift in the weighting without the numerical aperture having to be increased in comparison to conventional imaging optics. When measuring the z-coordinates, this is noticeable in that the contrast during the relative axial movement between the workpiece and the object plane changes more per length unit than if the measuring light beams entering the imaging optics at small angles are used, as shown in to can contribute to the image for a long time without weakening.

Je größer die Abschwächung ist, desto stärker ist die vorstehend beschriebene Wirkung auf die Tiefenschärfe und damit der günstige Einfluss auf die Genauigkeit der Messung der z-Koordinate. Bevorzugt ist es deswegen, wenn die Filtereinrichtung alle ersten Messlichtstrahlen maximal abschwächt - was einer vollständigen Abblendung gleichkommt - und alle zweiten Messlichtstrahlen überhaupt nicht abschwächt. In Betracht kommen jedoch auch Filtereinrichtungen mit einem Verlaufsfilter, der eine von großen zu kleinen Winkeln kontinuierlich zunehmende Abschwächung erzeugt.The greater the attenuation, the stronger the effect described above on the depth of field and thus the favorable influence on the accuracy of the measurement of the z-coordinate. It is therefore preferred if the filter device maximally weakens all first measuring light beams--which is tantamount to complete dimming--and does not weaken all second measuring light beams at all. However, filter devices with a graduated filter that produces an attenuation that increases continuously from large to small angles can also be considered.

Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Filtereinrichtung ein in Transmission oder Reflexion wirkendes Filterelement, das in einer Pupillenebene der Abbildungsoptik oder zumindest in der Nähe der Pupillenebene angeordnet ist und einen vom Ort abhängenden Transmissionsgrad bzw. Reflexionsgrad hat. Die Pupillenebene wird häufig auch als Aperturebene bezeichnet und zeichnet sich dadurch aus, dass dort die Hauptstrahlen die optische Achse schneiden.In one exemplary embodiment, the filter device comprises a filter element that acts in transmission or reflection, which is arranged in a pupil plane of the imaging optics or at least in the vicinity of the pupil plane and has a transmittance or reflectance that depends on the location. The pupil plane is also often referred to as the aperture plane and is characterized by the fact that the principal rays intersect the optical axis there.

Bei telezentrischen Abbildungsoptiken befindet sich die Pupillenebene in einem Zwischenraum zwischen zwei Teilobjektiven. In diesem Zwischenraum kann dann auch das Filterelement angeordnet werden. Nicht-telezentrische Abbildungsoptiken können aus nur einer Linse oder aus einer Linsengruppe bestehen, vor oder hinter der sich die Pupillenebene befindet.In the case of telecentric imaging optics, the pupil plane is located in an intermediate space between two partial objectives. The filter element can then also be arranged in this intermediate space. Non-telecentric imaging optics can consist of just one lens or a group of lenses, in front of or behind which the pupil plane is located.

Da alle Messlichtstrahlen, die unter einem bestimmten Winkel von dem Werkstück ausgehen, am gleichen Ort die Pupillenebene durchtreten, stellt die Pupillenebene den idealen Ort dafür dar, mit einem einfachen Filterelement mit einem ortsabhängigen Transmissions- oder Reflexionsgrad die gewünschte Abschwächung der ersten Messlichtstrahlen zu erzielen. Da der vorstehend erwähnte Zusammenhang zwischen Winkeln in der Objektebene und Orten in der Pupillenebene auch mit guter Näherung in der Nähe der Pupillenebene gilt, muss das Filterelement jedoch nicht exakt in der Pupillenebene der Abbildungsoptik angeordnet sein, sondern kann in axialer Richtung gegenüber der Pupillenebene um einen bestimmten Betrag versetzt sein.Since all measuring light beams that emanate from the workpiece at a certain angle pass through the pupil plane at the same place, the pupil plane represents the ideal place for achieving the desired attenuation of the first measuring light beams with a simple filter element with a location-dependent degree of transmission or reflection. Since the above-mentioned relationship between angles in the object plane and locations in the pupil plane also applies to a good approximation in the vicinity of the pupil plane, the filter element does not have to be arranged exactly in the pupil plane of the imaging optics, but can be arranged in the axial direction relative to the pupil plane by one be offset by a certain amount.

Im einfachsten Fall handelt es sich bei dem Filterelement um eine zentrale Kreisblende, welche einen kreisförmigen Bereich der Pupillenebene mit einem bestimmten Durchmesser vollständig obskuriert. Ein anderes Beispiel für ein geeignetes Filterelement ist ein Spiegel, dessen innerer Bereich absorbierend oder so facettiert ist, dass die dort auftreffenden Messlichtstrahlen aus dem Strahlengang des Messlichts heraus abgelenkt werden. In the simplest case, the filter element is a central circular aperture which completely obscures a circular area of the pupil plane with a specific diameter. Another example of a suitable filter element is a mirror, the inner area of which is absorbing or faceted in such a way that the measuring light beams impinging there are deflected out of the beam path of the measuring light.

Alternativ zu einem pupillennah angeordneten Filterelement kann die Filtereinrichtung ein in Transmission oder Reflexion wirkendes Filterelement umfassen, das in einem Zwischenraum zwischen dem Werkstück und der Abbildungsoptik oder in einem Zwischenraum zwischen dem Bildsensor (36) und der Abbildungsoptik (38) angeordnet ist und einen vom Winkel abhängenden Transmissionsgrad bzw. Reflexionsgrad hat. Derartige Filterelemente können beispielsweise als plattenförmige Glassubstrate ausgebildet sein, die mit speziellen mehrlagigen Beschichtungen versehen sind, welche die Winkelabhängigkeit erzeugen.As an alternative to a filter element arranged close to the pupil, the filter device can comprise a filter element which acts in transmission or reflection and which is arranged in a space between the workpiece and the imaging optics or in a space between the image sensor (36) and the imaging optics (38) and at an angle has dependent transmittance or reflectance. Such filter elements can be designed, for example, as plate-shaped glass substrates that are provided with special multi-layer coatings that produce the angular dependency.

Durch die erfindungsgemäße Abschwächung der ersten Messlichtstrahlen gelangt weniger Licht auf den Bildsensor. Für die Abstandsmessung ist dies in der Regel unproblematisch. Bei einigen Anwendungen kann es jedoch wünschenswert sein, dass zumindest in einigen Relativpositionen zwischen dem Werkstück und der Objektebene zusätzliche Bilder von der Oberfläche des Werkstücks aufgenommen werden, bei denen die Filtereinrichtung die ersten Messlichtstrahlen nicht oder zumindest nicht stärker als die zweiten Messlichtstrahlen abschwächt.Due to the inventive weakening of the first measuring light beams, less light reaches the image sensor. This is usually not a problem for distance measurement. In some applications, however, it may be desirable for additional images of the surface of the workpiece to be recorded at least in some relative positions between the workpiece and the object plane, in which case the filter device does not attenuate the first measuring light beams, or at least not more than the second measuring light beams.

Diese zusätzlichen Bilder werden somit nicht für die Abstandsmessung in Schritt f) herangezogen, sondern für andere Auswertungszwecke. Beispielsweise können diese zusätzlichen Bilder als Basis für eine Bildverarbeitung zur Detektion von Kanten oder Konturen verwendet werden.These additional images are therefore not used for the distance measurement in step f), but for other evaluation purposes. For example, these additional images can be used as a basis for image processing to detect edges or contours.

Um Bilder aufnehmen zu können, bei denen die ersten Messlichtstrahlen in unterschiedlichem Umfang zur Abbildung beitragen, sollte die Filtereinrichtung zwischen einem ersten Modus, in dem sie die ersten Messlichtstrahlen und die zweiten Messlichtstrahlen unterschiedlich stark abschwächt, und einem zweiten Modus wechseln können, in dem sie die ersten Messlichtstrahlen nicht oder genauso wenig abschwächt wie die zweiten Messlichtstrahlen. Idealerweise ist die Filtereinrichtung sehr rasch zwischen den beiden Modi umschaltbar. Dann ist es möglich, dass die Umschaltung während einer kontinuierlichen Relativbewegung zwischen der Objektebene und dem Werkstück erfolgt. Beispiele für solche schnell umschaltbaren Filtereinrichtungen sind LCD-Panels oder schaltbare Mikrospiegelarrays wie z.B. DMDs (digital mirror device).In order to be able to record images in which the first measuring light beams contribute to the image to a different extent, the filter device should be able to switch between a first mode in which it attenuates the first measuring light beams and the second measuring light beams to different extents, and a second mode in which they does not weaken the first measuring light rays or weakens them just as little as the second measuring light rays. Ideally, the filter device can be switched between the two modes very quickly. It is then possible for the switching to take place during a continuous relative movement between the object plane and the workpiece. Examples of such rapidly switchable filter devices are LCD panels or switchable micromirror arrays such as DMDs (digital mirror devices).

Wenn die Umschaltung längere Zeit benötigt, wie dies beispielsweise bei in den Strahlengang einführbaren Transmissionsfiltern der Fall ist, so können die zusätzlichen Bilder in einem eigenen Messvorgang aufgenommen werden, in dem ausschließlich Bilder im zweiten Modus aufgenommen werden.If switching takes a long time, as is the case, for example, with transmission filters that can be inserted into the beam path, the additional images can be measured in a separate measurement process gang in which only pictures are taken in the second mode.

Hinsichtlich des Gerätes wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Gerät zur 3D-Koordinatenmessung nach dem Autofokusverfahren, mit:

  1. a) einer Kamera, die eine Abbildungsoptik und einen Bildsensor enthält, wobei die Abbildungsoptik eine optische Achse und eine Objektebene hat, die auf den Bildsensor abgebildet wird,
  2. b) einer Beleuchtungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein zu vermessendes Werkstück mit Messlicht zu beleuchten,
  3. c) einem Antrieb oder einem verstellbaren optischen Element zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Objektebene entlang der optischen Achse der Abbildungsoptik,
  4. d) einem Speicher zum Speichern von Bildern der Oberfläche des Werkstücks, die von dem Bildsensor zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Relativbewegung aufgenommen wurden,
  5. e) einer Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, 3D-Koordinaten der Oberfläche des Werkstücks durch Auswertung zumindest eines Teils der in Schritt e) gespeicherten Bilder zu berechnen,
  6. f) einer im Strahlengang des Messlichts angeordnete Filtereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, während der Aufnahme von Bildern der Oberfläche des Werkstücks
    • - zumindest einen Teil von ersten Messlichtstrahlen abzuschwächen, die von dem Werkstück unter ersten Winkeln bezüglich einer zur optischen Achse parallelen Richtung ausgehen, die kleiner sind als ein vorgegebener Grenzwinkel, und
    • - zumindest einen Teil von zweiten Messlichtstrahlen nicht oder zumindest weniger abschwächt als die ersten Messlichtstrahlen, wobei die zweiten Messlichtstrahlen von dem Werkstück unter zweiten Winkeln bezüglich der zur optischen Achse parallelen Richtung ausgehen, die größer sind als der vorgegebene Grenzwinkel.
With regard to the device, the above task is solved by a device for 3D coordinate measurement using the autofocus method, with:
  1. a) a camera containing imaging optics and an image sensor, the imaging optics having an optical axis and an object plane which is imaged on the image sensor,
  2. b) an illumination device that is set up to illuminate a workpiece to be measured with measuring light,
  3. c) a drive or an adjustable optical element for generating a relative movement between the workpiece and the object plane along the optical axis of the imaging optics,
  4. d) a memory for storing images of the surface of the workpiece, which were recorded by the image sensor at different times of the relative movement,
  5. e) a computing unit that is set up to calculate 3D coordinates of the surface of the workpiece by evaluating at least some of the images stored in step e),
  6. f) a filter device arranged in the beam path of the measuring light, which is set up to record images of the surface of the workpiece
    • - to attenuate at least part of first measuring light beams emanating from the workpiece at first angles with respect to a direction parallel to the optical axis, smaller than a predetermined critical angle, and
    • - At least some of the second measuring light beams are not weakened or at least less weakened than the first measuring light beams, the second measuring light beams emanating from the workpiece at second angles with respect to the direction parallel to the optical axis, which angles are greater than the specified critical angle.

Die Filtereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, alle ersten Messlichtstrahlen vollständig abzublenden und alle zweiten Messlichtstrahlen nicht abschwächt.The filter device can be set up to completely screen out all first measuring light beams and not to attenuate all second measuring light beams.

Die Recheneinheit kann dazu eingerichtet sein, das Gerät so zu steuern, dass zumindest in einigen Relativpositionen zwischen dem Werkstück und der Objektebene zusätzliche Bilder von der Oberfläche des Werkstücks aufgenommen werden, bei denen die Filtereinrichtung die ersten Messlichtstrahlen nicht oder zumindest nicht stärker als die zweiten Messlichtstrahlen abschwächt.The computing unit can be set up to control the device in such a way that at least in some relative positions between the workpiece and the object plane, additional images of the surface of the workpiece are recorded, in which the filter device does not detect the first measuring light beams or at least not more than the second measuring light beams weakens.

Zu diesem Zweck kann die Recheneinheit die Filtereinrichtung so ansteuern, dass die Filtereinrichtung zwischen einem ersten Modus, in dem sie die ersten Messlichtstrahlen und die zweiten Messlichtstrahlen unterschiedlich stark abschwächt, und einem zweiten Modus wechselt, in dem sie die ersten Messlichtstrahlen nicht oder genauso wenig abschwächt wie die zweiten Messlichtstrahlen.For this purpose, the computing unit can control the filter device in such a way that the filter device changes between a first mode in which it attenuates the first measuring light beams and the second measuring light beams to different extents and a second mode in which it does not attenuate the first measuring light beams or attenuates them just as little like the second measuring light beams.

Das verstellbare optische Element kann beispielsweise eine axial verfahrbare Linsengruppe oder Einzellinse, ein deformierbarer Spiegel, eine Flüssiglinse oder eine schaltbare Fresnellinse sein.The adjustable optical element can be, for example, an axially movable lens group or individual lens, a deformable mirror, a liquid lens or a switchable Fresnel lens.

Figurenlistecharacter list

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

  • 1: eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts;
  • 2: einen meridionalen Schnitt durch einen Sensor des Koordinatenmessgeräts und ein auf einem Kreuztisch befestigtes Werkstück;
  • 3a und 3b: einen Strahlengang mit kleiner numerischer Apertur zum Messen von z-Koordinaten an unterschiedlichen Orten auf dem Werkstück;
  • 4a und 4b: den 3a und 3b entsprechende Darstellungen für einen Strahlengang mit großer numerischer Apertur;
  • 4c: der in der 4b gezeigte Strahlengang nach Verfahren der Abbildungsoptik in z-Richtung;
  • 5a: eine den 3a und 4a entsprechende Darstellung für einen Strahlengang mit mittlerer numerischer Apertur;
  • 5b: eine den 3b und 4b entsprechende Darstellung für einen Strahlengang mit mittlerer numerischer Apertur, wobei erfindungsgemäß Messlichtstrahlen, die unter kleinem Winkel zur Richtung der optischen Achse verlaufen, abgeschwächt werden;
  • 6: ein Diagramm, auf dem die Intensitätsverteilung eines Lichtpunkts auf dem Bildsensor in unterschiedlichen Abständen z zwischen der Objektebene und der Oberfläche des Werkstücks für den in der 5a gezeigten Fall dargestellt ist;
  • 7: ein der 6 entsprechendes Diagramm für den in der 5b gezeigten Fall;
  • 8: der in der 2 gezeigte Sensor, wobei sich die Filtereinrichtung in einem ersten Modus für die Abstandsmessung befindet, in dem Messlichtstrahlen abgeschwächt werden;
  • 9: einen der 2 entsprechenden meridionalen Schnitt durch einen Sensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem die Filtereinrichtung als digitales Mikrospiegelarray ausgebildet ist und sich in einem zweiten Modus befindet, in dem keine Messlichtstrahlen abgeschwächt werden;
  • 10: der in der 9 gezeigte Sensor, wobei sich die Filtereinrichtung im ersten Modus befindet, in dem Messlichtstrahlen abgeschwächt werden;
  • 11: einen der 2 entsprechenden meridionalen Schnitt durch einen Sensor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, bei dem das Filterelement eine fest in einer Pupillenebene des Sensors angeordneten Kreisblende umfasst;
  • 12: eine Draufsicht auf die in der 11 gezeigte Kreisblende;
  • 13: einen der 2 entsprechenden meridionalen Schnitt durch einen Sensor gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, bei dem die Filtereinrichtung als winkelabhängiges Filterelement ausgebildet ist;
  • 14: einen Graphen, auf dem die Abhängigkeit des Transmissionsgrades T vom Einfallswinkel α schematisch dargestellt ist.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. In these show:
  • 1 : a perspective view of a coordinate measuring machine according to the invention;
  • 2 : a meridional section through a sensor of the coordinate measuring machine and a workpiece fixed on a cross table;
  • 3a and 3b : a small numerical aperture beam path for measuring z-coordinates at different locations on the workpiece;
  • 4a and 4b : the 3a and 3b corresponding representations for a beam path with a large numerical aperture;
  • 4c : the Indian 4b Beam path shown after moving the imaging optics in the z-direction;
  • 5a : a den 3a and 4a Corresponding representation for a beam path with a mean numerical aperture;
  • 5b 3b and 4b: a representation corresponding to FIGS. 3b and 4b for a beam path with a mean numerical aperture, with measuring light beams running at a small angle to the direction of the optical axis being attenuated according to the invention;
  • 6 : a diagram showing the intensity distribution of a point of light on the image sensor at different distances z between the object plane and the surface of the workpiece for the in the 5a case shown;
  • 7 : one of 6 corresponding diagram for the one in the 5b shown case;
  • 8th : the Indian 2 Sensor shown, wherein the filter device is in a first mode for the distance measurement, are attenuated in the measuring light beams;
  • 9 : one of 2 corresponding meridional section through a sensor according to a second exemplary embodiment, in which the filter device is designed as a digital micromirror array and is in a second mode in which no measuring light beams are attenuated;
  • 10 : the Indian 9 Sensor shown, wherein the filter device is in the first mode are attenuated in the measuring light beams;
  • 11 : one of 2 corresponding meridional section through a sensor according to a third exemplary embodiment, in which the filter element comprises a circular diaphragm fixedly arranged in a pupil plane of the sensor;
  • 12 : a top view of the in the 11 circular aperture shown;
  • 13 : one of 2 corresponding meridional section through a sensor according to a fourth exemplary embodiment, in which the filter device is designed as an angle-dependent filter element;
  • 14 : a graph on which the dependency of the transmittance T on the angle of incidence α is shown schematically.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

1. Aufbau des Koordinatenmessgeräts1. Structure of the coordinate measuring machine

Die 1 zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Koordinatenmessgerät.The 1 shows a coordinate measuring machine, designated overall by 10, in a schematic perspective representation.

Das Koordinatenmessgerät 10 umfasst eine Basis 12, die einen Tisch 14 trägt, an dem ein Steuerpult 16 befestigt ist. Vom Tisch 14 ausgehend erstreckt sich nach oben ein Ständer 18, die eine Pinole 20 trägt. Wie durch einen Doppelpfeil 22 angedeutet ist, ist die Pinole 20 mit Hilfe eines nicht dargestellten Antriebs in vertikaler Richtung (z-Richtung) präzise verfahrbar.The coordinate measuring machine 10 includes a base 12 which supports a table 14 to which a control panel 16 is attached. A stand 18 which carries a quill 20 extends upwards from the table 14 . As indicated by a double arrow 22, the quill 20 can be moved precisely in the vertical direction (z-direction) with the aid of a drive (not shown).

An der Unterseite der Pinole 20 ist ein optischer Sensor 24 befestigt, mit dem ein Bild von einem Werkstück 26 aufgenommen werden kann. Das Werkstück 26 ist auf einem Kreuztisch 28 befestigt, mit dem das Werkstück 26 in der horizontalen Ebene (x-Richtung und y-Richtung) präzise verfahren werden kann, wie dies in der 1 durch Pfeile 30 bzw. 32 angedeutet ist. Auf diese Weise ist es möglich, auch größere Werkstücke 26 sukzessive mit Hilfe des Sensors 24 zu vermessen, indem das Werkstück 26 mit Hilfe des Kreuztisches 28 nach und nach in das Messfeld des Sensors 24 eingeführt wird.An optical sensor 24 is fastened to the underside of the quill 20, with which an image of a workpiece 26 can be recorded. The workpiece 26 is mounted on a compound table 28 with which the workpiece 26 can be moved precisely in the horizontal plane (x-direction and y-direction), as is shown in FIG 1 is indicated by arrows 30 and 32, respectively. In this way, it is also possible to successively measure larger workpieces 26 with the aid of the sensor 24 by gradually introducing the workpiece 26 into the measuring field of the sensor 24 with the aid of the compound table 28 .

Falls noch größere oder besonders schwere Werkstücke 26 vermessen werden sollen, kann das Koordinatenmessgerät 10 auch einen anderen mechanischen Aufbau haben und beispielsweise anstelle des Kreuztisches 28 ein bewegbares Portal aufweisen, an dem die Pinole 20 befestigt ist. Auf diese Weise lässt sich die Pinole 20 nicht nur entlang der z-Richtung, sondern auch entlang der x-Richtung und y-Richtung präzise verfahren, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist. Das Werkstück 26 muss dann während der Messung nicht bewegt werden.If larger or particularly heavy workpieces 26 are to be measured, the coordinate measuring machine 10 can also have a different mechanical design and, for example, instead of the cross table 28, have a movable portal to which the quill 20 is attached. In this way, the quill 20 can be precisely moved not only along the z-direction, but also along the x-direction and y-direction, as is known per se in the prior art. The workpiece 26 then does not have to be moved during the measurement.

2. Aufbau des Sensors2. Structure of the sensor

Die 2 zeigt in einem vereinfachten meridionalen Schnitt den Aufbau des Sensors 24 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der Sensor 24 umfasst eine Kamera 34 mit einem zweidimensionalen Bildsensor 36, bei dem es sich um einen herkömmlichen CCD-Sensor oder CMOS-Sensor handeln kann. Zur Kamera 34 gehört ferner eine Abbildungsoptik 38, die in der 2 der Übersichtlichkeit halber durch lediglich zwei Linsen L1 und L2 angedeutet ist. Bei der Abbildungsoptik 38 kann es sich um eine Mikroskopoptik handeln, die ein vergrößertes Bild der Oberfläche 40 des zu vermessenden Werkstücks 26 auf dem Bildsensor 36 erzeugt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Vergrößerung β = -1,5; typischerweise ist die Vergrößerung der Abbildungsoptik 38 jedoch betragsmäßig deutlich größer. Anstelle einer dioptrischen Abbildungsoptik kann auch eine katadioptrische (d.h. brechende und reflektierende Flächen enthaltende) Abbildungsoptik verwendet werden.The 2 shows the structure of the sensor 24 according to a first exemplary embodiment in a simplified meridional section. The sensor 24 includes a camera 34 with a two-dimensional image sensor 36, which can be a conventional CCD sensor or CMOS sensor. The camera 34 also includes imaging optics 38 in the 2 is indicated for the sake of clarity by only two lenses L1 and L2. The imaging optics 38 can be microscope optics that generate an enlarged image of the surface 40 of the workpiece 26 to be measured on the image sensor 36 . In the illustrated embodiment, the increase is β = -1.5; typically, however, the magnification of the imaging optics 38 is significantly greater in terms of absolute value. Instead of dioptric imaging optics, catadioptric imaging optics (ie containing refracting and reflecting surfaces) can also be used.

Der Sensor 24 umfasst außerdem eine Filtereinrichtung mit einem in einer Pupillenebene 42 der Abbildungsoptik 38 angeordneten Filterelement, das im dargestellten Ausführungsbeispiel als LCD-Panel 44 ausgebildet ist. Das LCD-Panel 44 umfasst hierzu eine Vielzahl von matrixartig angeordneten Flüssigkristallzellen 46, deren Transmissionsgrad individuell zwischen einem Minimalwert in der Nähe von 0% und einem Maximalwert in der Nähe von 100% verändert werden kann. Im dargestellten Modus sind alle Flüssigkristallzellen 46 maximal lichtdurchlässig, so dass alle Messlichtstrahlen 48a und 48b, die von der Oberfläche 40 des Werkstücks 26 ausgehen und in die Abbildungsoptik 38 eintreten, ohne nennenswerte Abschwächung den Bildsensor 36 erreichen.The sensor 24 also includes a filter device with a filter element which is arranged in a pupil plane 42 of the imaging optics 38 and is designed as an LCD panel 44 in the illustrated exemplary embodiment. For this purpose, the LCD panel 44 comprises a multiplicity of liquid crystal cells 46 arranged in a matrix-like manner, the transmittance of which can be changed individually between a minimum value close to 0% and a maximum value close to 100%. In the mode shown, all liquid crystal cells 46 are maximally translucent, so that all measuring light beams 48a and 48b, which emanate from the surface 40 of the workpiece 26 and enter the imaging optics 38, reach the image sensor 36 without any significant attenuation.

Unterhalb der Kamera 34 befindet sich eine Beleuchtungseinrichtung 50, die im dargestellten Ausführungsbeispiel ringförmig um die optische Achse 52 herum angeordnete LEDs umfasst. Die Beleuchtungseinrichtung 50 kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass sie Licht mit verschiedenen Farben und/oder aus verstellbaren Richtungen auf die Oberfläche 40 des Werkstücks 26 richten kann. Ein Beispiel für eine geeignete Beleuchtungseinrichtung 50 ist in der WO 2013/167168 A1 der Anmelderin beschrieben. Zusätzlich zur Beleuchtung in Auflicht kann eine weitere Beleuchtungseinrichtung vorgesehen sein, mit der Messlicht über einen Einkoppelspiegel in den Strahlengang der Abbildungsoptik 38 eingekoppelt wird, um das Messfeld direkt von oben und annähernd achsparallel beleuchten zu können. Bei bestimmten Ausführungen ist auch eine Beleuchtung in Durchlicht möglich.Below the camera 34 is an illumination device 50 which, in the exemplary embodiment shown, comprises LEDs arranged in a ring around the optical axis 52 . The lighting device 50 can be designed, for example, in such a way that it can direct light with different colors and/or from adjustable directions onto the surface 40 of the workpiece 26 . An example of a suitable lighting device 50 is in FIG WO 2013/167168 A1 described by the applicant. In addition to the incident light illumination, a further illumination device can be provided, with which the measuring light is coupled into the beam path of the imaging optics 38 via a coupling mirror in order to be able to illuminate the measuring field directly from above and approximately axially parallel. Illumination in transmitted light is also possible with certain designs.

Mit 53 ist in der 2 ein Antrieb angedeutet, mit dem sich die Pinole 20 mit dem daran befestigten Sensor 24 entlang der z-Richtung vertikal verfahren lässt, wie dies durch den Doppelpfeil 22 angedeutet ist. Da die Pinole 20 in der 2 nicht dargestellt ist, ist der Antrieb 53 so dargestellt, als greife er direkt an dem Sensor 24 an. In Wirklichkeit wirkt der Antrieb 53 jedoch auf die Pinole 20.At 53 is in the 2 a drive is indicated, with which the quill 20 with the sensor 24 attached to it can be moved vertically along the z-direction, as indicated by the double arrow 22 . Because the quill 20 in the 2 not shown, the drive 53 is shown as acting directly on the sensor 24 . In reality, however, drive 53 acts on sleeve 20.

Der Bildsensor 36, das LCD-Panel 44, die Beleuchtungseinrichtung 50, der Antrieb 53 und der Kreuztisch 28 sind mit einer einen Speicher 55 enthaltenden Recheneinheit 54 verbunden, die den Messablauf in noch näher zu erläuternder Weise steuert und die vom Bildsensor 36 aufgenommenen Bilder verarbeitet.The image sensor 36, the LCD panel 44, the lighting device 50, the drive 53 and the cross table 28 are connected to a processor 54 containing a memory 55, which controls the measuring sequence in a manner to be explained in more detail below and processes the images recorded by the image sensor 36 .

3. Funktion3. function

Zur Erläuterung der Funktion des Sensors 24 wird zunächst auf die 3a und 3b Bezug genommen.To explain the function of the sensor 24 is first on the 3a and 3b referenced.

Die 3a zeigt die Oberfläche 40 des Werkstücks 26, die von der Beleuchtungseinrichtung 50 mit Messlicht beleuchtet wird. Die Oberfläche 40 des Werkstücks 26 reflektiert das auftreffende Messlicht diffus in alle Raumrichtungen. Vom reflektierten Messlicht trägtjedoch nur ein kleinerer Teil zur Abbildung der Oberfläche 40 auf den Bildsensor 36 bei. Denn nur diejenigen reflektierten Messlichtstrahlen 48, die von dem Werkstück 26 unter einem Winkel bezüglich einer zur optischen Achse 52 parallelen Richtung (hier also der Vertikalen) ausgehen, der kleiner ist als der durch die numerische Apertur NA der Abbildungsoptik 38 vorgegebenen objektseitigen Öffnungswinkel, können von der Abbildungsoptik 38 aufgenommen werden und zum Bildsensor 36 gelangen. In der 3a ist angenommen, dass die numerische Apertur NA und daher auch der objektseitige Öffnungswinkel klein ist. Daher tragen nur solche Messlichtstrahlen 48 zur Abbildung bei, die unter kleinen Winkeln bezüglich der Vertikalen von der Oberfläche 40 des Werkstücks 26 ausgehen.The 3a shows the surface 40 of the workpiece 26, which is illuminated by the illumination device 50 with measuring light. The surface 40 of the workpiece 26 reflects the incident measuring light diffusely in all spatial directions. However, only a small part of the reflected measuring light contributes to the imaging of the surface 40 on the image sensor 36 . This is because only those reflected measuring light beams 48 that emanate from the workpiece 26 at an angle with respect to a direction parallel to the optical axis 52 (in this case the vertical) that is smaller than the object-side opening angle specified by the numerical aperture NA of the imaging optics 38 can of the imaging optics 38 and reach the image sensor 36 . In the 3a it is assumed that the numerical aperture NA and therefore also the object-side aperture angle is small. Therefore, only those measuring light beams 48 that emanate from the surface 40 of the workpiece 26 at small angles with respect to the vertical contribute to the imaging.

Mit 56 ist in der 3a die Objektebene der Abbildungsoptik 38 angedeutet. Betrachtet wird ein Punkt P auf der Oberfläche 40, der im Messfeld des Sensors 24 die Koordinaten x, y hat und von dem die beiden Messlichtstrahlen 48 ausgehen. In der dargestellten Konstellation befindet sich der Punkt P exakt in der Objektebene 56. Daher wird der Punkt P scharf und mit maximalem Kontrast auf den Bildsensor 36 abgebildet.At 56 is in the 3a the object plane of the imaging optics 38 is indicated. A point P on the surface 40 is considered, which has the coordinates x, y in the measuring field of the sensor 24 and from which the two measuring light beams 48 emanate. In the constellation shown, the point P is located exactly in the object plane 56. The point P is therefore imaged sharply and with maximum contrast on the image sensor 36.

Wird nun das Werkstück 26 entlang der x-Richtung um eine bestimmte Wegstrecke verfahren, wie dies in der 3a durch einen Pfeil 58 angedeutet ist, so gelangt ein anderer Punkt P' auf der Oberfläche 40 an den Ort x, y, des Messfeldes. Es sei angenommen, dass der Punkt P' nicht auf der Höhe der Objektebene 56 liegt, sondern beispielsweise leicht oberhalb davon, wie dies in der 3b dargestellt ist. Folglich wird dieser Punkt P' nicht mehr maximal scharf auf den Bildsensor 36 abgebildet.If the workpiece 26 is now moved along the x-direction by a certain distance, as is shown in FIG 3a is indicated by an arrow 58, another point P' on the surface 40 arrives at the location x, y of the measuring field. It is assumed that the point P' is not at the level of the object plane 56 but, for example, slightly above it, as is shown in FIG 3b is shown. Consequently, this point P′ is no longer imaged on the image sensor 36 with maximum sharpness.

Allerdings ist der Schärfeverlust und entsprechend die Kontrastverringerung in diesem Falle sehr klein. Dies liegt daran, dass die Messlichtstrahlen 48 nur einen kleinen Winkel zur Vertikalen einschließen. Wie man durch Vergleich der 3a und 3b erkennen kann, befindet sich der Punkt P' auf der Oberfläche 40 immer noch annähernd im Schnittpunkt der beiden Messlichtstrahlen 48, so dass der Schärfeverlust auf dem Bildsensor 36 kaum wahrnehmbar ist. Die Messlichtstrahlen 48 wurden, um die Lage ihres Schnittpunktes besser erkennbar zu machen, in den 3a und 3b und ebenso in den nachfolgenden 4 und 5 nach unten hin durch das Werkstück 26 hindurch verlängert, obwohl sich dort natürlich in der Regel kein Messlicht ausbreitet.However, the loss of sharpness and the corresponding reduction in contrast is very small in this case. This is due to the fact that the measuring light beams 48 enclose only a small angle to the vertical. How to by comparing the 3a and 3b can recognize, the point P' on the surface 40 is still approximately at the point of intersection of the two measuring light beams 48, so that the loss of sharpness on the image sensor 36 is hardly perceptible. The measuring light beams 48 were, in order to make the position of their point of intersection more recognizable, in the 3a and 3b and also in the following ones 4 and 5 extended downwards through the workpiece 26, although of course no measuring light usually propagates there.

Die Abbildung bei kleiner numerischen Apertur bewirkt also eine große Schärfentiefe. Das Bild auf dem Bildensor 36 bleibt deswegen vergleichsweise scharf, wenn die Oberlfläche 40 nicht mehr exakt in der Objektebene positioniert ist. Für die Abstandsmessung mit Hilfe des Sensors 24 ist eine große Schärfentiefe jedoch unerwünscht, da sich der Kontrast auf dem Bildsensor 36 nur geringfügig ändert, wenn der Abstand zwischen der Oberfläche 40 und der Objektebene 56 variiert.The imaging with a small numerical aperture thus causes a large depth of field. The image on the image sensor 36 therefore remains comparatively sharp when the surface 40 is no longer positioned exactly in the object plane. However, a large depth of field is undesirable for the distance measurement using the sensor 24, since the contrast on the image sensor 36 changes only slightly when the distance between the surface 40 and the object plane 56 varies.

Für die Abstandsmessung günstiger ist der in den 4a bis 4c dargestellte Fall, bei dem die Abbildungsoptik 38 eine große numerische Apertur NA und einen entsprechend großen objektseitigen Öffnungswinkel hat. Die Messlichtstrahlen 48 können nun unter einem großen Winkel zur Vertikalen in die Abbildungsoptik 38 eintreten. Wie aus einem Vergleich der 4a und 4b mit den 3a und 3b deutlich wird, ist der Kontrastverlust des Bildes auf dem Bildsensor 36 in diesem Fall deutlich größer, wenn die Oberfläche 40 die Objektebene 56 verlässt. Denn Messlichtstrahlen 48, die exakt auf dem Bildsensor 36 konvergieren, gehen nicht mehr annähernd von dem Punkt P' auf der Oberfläche 40 des Werkstücks 26 aus, sondern - im dargestellten Beispiel - von einem gedachten Punkt unterhalb der Oberfläche 40, wie dies in dem vergrößerten Ausschnitt der 4b erkennbar ist. Die große numerische Apertur NA der Abbildungsoptik 38 führt somit zu einer geringen Schärfentiefe, wie sie für die Abstandsmessung erwünscht ist.For the distance measurement is cheaper in the 4a until 4c illustrated case, in which the imaging optics 38 has a large numerical aperture NA and a correspondingly large object-side opening angle. The measuring light beams 48 can now enter the imaging optics 38 at a large angle to the vertical. Like from one comparison of 4a and 4b with the 3a and 3b becomes clear, the loss of contrast of the image on the image sensor 36 is significantly greater in this case when the surface 40 leaves the object plane 56. Because measuring light beams 48, which converge exactly on the image sensor 36, no longer emanate approximately from the point P' on the surface 40 of the workpiece 26, but - in the example shown - from an imaginary point below the surface 40, as in the enlarged section of the 4b is recognizable. The large numerical aperture NA of the imaging optics 38 thus leads to a small depth of field, as is desired for the distance measurement.

Aufgrund des geringen Kontrastes auf dem Bildsensor 36 in der in der 4b gezeigten Konstellation ist für den Sensor 24 erkennbar, dass sich die Oberfläche 40 außerhalb der Objektebene 56 befindet. Wird nun mit Hilfe des Antriebs 53 die Pinole 20 in z-Richtung nach oben verfahren, so bewegt sich auch die Objektebene 56 um den gleichen Betrag nach oben. Sobald die Objektebene 56 sich exakt auf der Höhe des Punktes P' befindet, wie dies in der 4c dargestellt ist, wird wieder eine maximal scharfe Abbildung mit größtmöglichem Kontrast erreicht. Da die Lage der Objektebene 56 in einem Bezugssystem des Koordinatenmessgeräts 10 genau bekannt ist, lässt sich auf diese Weise die z-Koordinate des Punktes P' auf der Oberfläche 40 exakt ermitteln.Due to the low contrast on the image sensor 36 in FIG 4b In the constellation shown, the sensor 24 can detect that the surface 40 is outside of the object plane 56 . If the sleeve 20 is now moved upwards in the z-direction with the aid of the drive 53, the object plane 56 also moves upwards by the same amount. Once the object plane 56 is exactly level with point P', as shown in FIG 4c is shown, a maximum sharp image with the greatest possible contrast is achieved again. Since the position of the object plane 56 in a reference system of the coordinate measuring device 10 is precisely known, the z-coordinate of the point P′ on the surface 40 can be determined exactly in this way.

Während der Messung wird also kontinuierlich oder intermittierend eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück 26 und der Objektebene 56 entlang der optischen Achse 52 der Abbildungsoptik 68 erzeugt, indem die Pinole 20 mit Hilfe des Antriebs 53 entlang der z-Richtung verfahren wird. Während dieser Relativbewegung werden von der Oberfläche 40 des Werkstücks 28 mehrere Bilder mit Hilfe der Kamera 34 zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen und in dem Speicher 55 der Recheneinheit 54 gespeichert.During the measurement, a relative movement is thus generated continuously or intermittently between the workpiece 26 and the object plane 56 along the optical axis 52 of the imaging optics 68 by the sleeve 20 being moved along the z-direction with the aid of the drive 53 . During this relative movement, several images of the surface 40 of the workpiece 28 are recorded at different times with the aid of the camera 34 and stored in the memory 55 of the computing unit 54 .

Dabei werden alle innerhalb des lateralen Messfelds und des axialen Messbereichs liegenden Bereiche der Oberfläche 40, welche die gleiche z-Koordinate haben, zu einem bestimmten Zeitpunkt während der Relativbewegung zwischen der Pinole 20 und dem Werkstück 26 scharf auf den Bildsensor 36 abgebildet. Auf diese Weise lässt sich ein dreidimensionales Profil der Oberfläche 40 des Werkstücks 26 gewinnen, da die x- und y-Koordinaten der Messpunkte direkt aus der Lage auf den aufgenommenen Bildern abgeleitet werden können.All areas of the surface 40 that are within the lateral measuring field and the axial measuring range and have the same z-coordinate are imaged sharply on the image sensor 36 at a specific point in time during the relative movement between the quill 20 and the workpiece 26. A three-dimensional profile of the surface 40 of the workpiece 26 can be obtained in this way, since the x and y coordinates of the measuring points can be derived directly from the position on the recorded images.

Um bei einer gegebenen Größe des Messfeldes die numerische Apertur NA zu erhöhen und dadurch die Schärfentiefe zu verringern, müsste die Abbildungsoptik 38 deutlich grö-ßer, schwerer und teurer werden. Bei gleichbleibender Größe der Abbildungsoptik 38 kann die numerische Apertur NA ansonsten nur auf Kosten der Größe des Messfeldes vergrö-ßert werden. Kleinere Messfelder sind jedoch nachteilig, weil dadurch bei größeren Werkstücken die Messdauer deutlich zunimmt. In der Praxis wählt man deswegen in der Regel eher kleinere numerische Aperturen NA zwischen 0.1 und 0.2, die bereits eine ausreichende laterale Auflösung der Bilder gewährleisten.In order to increase the numerical aperture NA for a given size of the measuring field and thereby reduce the depth of focus, the imaging optics 38 would have to be significantly larger, heavier and more expensive. If the size of the imaging optics 38 remains the same, the numerical aperture NA can otherwise only be increased at the expense of the size of the measuring field. Smaller measuring fields are disadvantageous, however, because this significantly increases the measuring time for larger workpieces. In practice, one usually chooses smaller numerical apertures NA between 0.1 and 0.2, which already ensure sufficient lateral resolution of the images.

In der 5a ist in einer an die 3a und 4a angelehnten Darstellung wieder die Oberfläche 40 des Werkstücks 26 gezeigt. Von einem Punkt P auf dem Werkstück 26 gehen erste Messlichtstrahlen 48a unter ersten Winkeln bezüglich einer zur optischen Achse parallelen Richtung (hier wieder der Vertikalen) aus, die kleiner als ein vorgegebener Grenzwinkel sind. Für diese ersten Messlichtstrahlen 48a ist die Tiefenschärfe groß, wie dies oben mit Bezug auf die 3a und 3b erläutert wurde.In the 5a is in a to the 3a and 4a Ajar representation shown again the surface 40 of the workpiece 26. First measuring light beams 48a emanate from a point P on the workpiece 26 at first angles with respect to a direction parallel to the optical axis (here again the vertical), which are smaller than a predetermined critical angle. For these first measuring light beams 48a, the depth of field is large, as is explained above with reference to FIG 3a and 3b was explained.

Eingezeichnet sind außerdem zweite Messlichtstrahlen 48b, die von dem Punkt P auf der Oberfläche 40 unter zweiten Winkeln bezüglich der Vertikalen ausgehen, die größer sind als der vorgegebene Grenzwinkel. Für diese schräger als die ersten Messlichtstrahlen 48a verlaufenden zweiten Messlichtstrahlen 48b ist die Tiefenschärfe kleiner als für die ersten Messlichtstrahlen 48a.Also shown are second measuring light beams 48b, which emanate from point P on surface 40 at second angles with respect to the vertical, which are greater than the specified critical angle. For these second measuring light beams 48b, which run more obliquely than the first measuring light beams 48a, the depth of field is smaller than for the first measuring light beams 48a.

Erfindungsgemäß werden die ersten Messlichtstrahlen 48 von einer Filtereinrichtung abgeschwächt, wie dies in der 5b angedeutet ist. Die Abschwächung ist hier maximal und durch eine Blende 4 angedeutet, welche die ersten Messlichtstrahlen 48a vollständig absorbiert. Der Grenzwinkel ist durch gestrichelte Linien 60 angedeutet. Zur Abbildung des Punktes P des auf der Oberfläche 40 tragen infolge der Absorption der ersten Messlichtstrahlen 48a nur noch die schräger verlaufenden zweiten Messlichtstrahlen 48b bei, für welche die Schärfentiefe geringer ist. Man erhält auf diese Weise eine Abbildung mit einer Schärfentiefe, die geringer ist als wenn die ersten Messlichtstrahlen 48a ebenfalls zur Abbildung beitragen würden.According to the invention, the first measuring light beams 48 are attenuated by a filter device, as is shown in FIG 5b is indicated. The attenuation is maximum here and is indicated by an aperture 4, which completely absorbs the first measuring light beams 48a. The critical angle is indicated by broken lines 60 . As a result of the absorption of the first measuring light beams 48a, only the more inclined second measuring light beams 48b, for which the depth of field is smaller, contribute to the imaging of the point P on the surface 40 . In this way, an image is obtained with a depth of field that is less than if the first measuring light beams 48a would also contribute to the image.

Dieser Unterschied ist in den 6 und 7 illustriert. Jede Kurve repräsentiert dabei jeweils Orte gleicher Intensität in einem auf dem Bildsensor 36 erzeugten Bild eines Punktes auf der Oberfläche 40 des Werkstücks 26. Auf der Abszisse ist der radiale Abstand r von der Mitte des Bildpunktes und auf der Ordinate der Abstand des Ortes von der Objektebene 56 in z-Richtung aufgetragen. Die Kurven geben somit den dreidimensionalen Internsitätsverlauf eines rotationssymmetrischen Luftbildes wieder.This difference is in the 6 and 7 illustrated. Each curve represents locations of the same intensity in an image generated on the image sensor 36 of a point on the surface 40 of the workpiece 26. The radial distance r from the center of the image point is on the abscissa and the distance of the location from the object plane is on the ordinate 56 plotted in the z-direction. The curves thus reflect the three-dimensional course of the intensity of a rotationally symmetrical aerial photograph.

Die 6 zeigt dieses Luftbild ohne Abschwächung der ersten Messlichtstrahlen 48a. Erwartungsgemäß ist die laterale Abmessung r des Bildpunktes minimal, wenn sich die Oberfläche exakt in der Objektebene 56 befindet (z = 0). Mit zunehmendem Abstand von der Objektebene 56 verbreitert sich die Intensitätsverteilung. Die Intensität im Zentrum (r = 0) fällt allerdings nur recht langsam mit zunehmendem Abstand z von der Objektebene 56 ab. Dies ist daran zu erkennen, dass die im Graphen gezeigten Linien gleicher Intensität relativ weit voneinander entfernt sind.The 6 shows this aerial image without attenuation of the first measuring light beams 48a. As expected, the lateral dimension r of the pixel is minimal when the surface is located exactly in the object plane 56 (z=0). The intensity distribution widens as the distance from the object plane 56 increases. However, the intensity in the center (r=0) falls only very slowly with increasing distance z from the object plane 56 . This can be seen from the fact that the lines of equal intensity shown in the graph are relatively far apart.

Die 7 zeigt die Situation, wenn in der erfindungsgemäßen Weise die ersten Messlichtstrahlen 48a abgeschwächt werden. Angenommen ist hier eine vollständige Abschwächung, wie sie in der 5b angedeutet ist. Im Vergleich zur 6 ist in der 7 zu erkennen, dass sich die zunächst scheibenförmige Intensitätsverteilung bei zunehmendem Abstand z zur Objektebene 56 in eine ringförmige Intensitätsverteilung umwandelt. Damit geht einher, dass im Zentrum des Bildpunktes (r = 0) die Intensität bei zunehmendem Abstand der Objektebene 56 (d.h. betragsmäßig wachsendem z) deutlich stärker abnimmt als bei dem in der 6 gezeigten Fall. Denn wie man erkennt, liegen die Linien konstanter Intensität auf der mit einer gestrichelten vertikalen Linie angedeuteten Position im Zentrum des Bildpunktes (r = 0) sehr viel dichter beieinander als in der 6. Aufgrund dieses größeren Intensitätsgradienten ist die Messgenauigkeit bei der Messung der z-Koordinate deutlich höher als im Stand der Technik, wie er durch die 5a und 6 illustriert wird.The 7 shows the situation when the first measuring light beams 48a are attenuated in the manner according to the invention. Assuming full attenuation here, as shown in the 5b is indicated. In comparison to 6 is in the 7 It can be seen that the initially disk-shaped intensity distribution is converted into an annular intensity distribution as the distance z from the object plane 56 increases. This is accompanied by the fact that in the center of the image point (r=0) the intensity decreases significantly more as the distance from the object plane 56 increases (ie z increases in absolute value) than in the case of the one in FIG 6 shown case. As can be seen, the lines of constant intensity are much closer together at the position indicated by a dashed vertical line in the center of the image point (r = 0) than in the 6 . Due to this greater intensity gradient, the measurement accuracy when measuring the z-coordinate is significantly higher than in the prior art, as is the case with 5a and 6 is illustrated.

Die in der 5b gezeigte Anordnung der Blende 4 im Strahlengang zwischen dem Werkstück 26 und dem Sensor 24 wäre freilich nur dann möglich, wenn nur ein einziger Messpunkt zu einem gegebenen Zeitpunkt vermessen werden soll oder das Bildfeld sehr klein gegenüber dem Arbeitsabstand der Optik ist. In der Regel ist es jedoch erwünscht, für alle im Messfeld liegenden Punkte auf der Oberfläche 40 des Werkstücks 26 die z-Koordinate zu bestimmen. Dann können zwischen Werkstück 26 und Sensor 24 natürlich keine Blenden angeordnet werden, weil dann überhaupt kein Licht mehr die Abbildungsoptik 38 erreichen würde.The one in the 5b The arrangement of the aperture 4 shown in the beam path between the workpiece 26 and the sensor 24 would of course only be possible if only a single measuring point is to be measured at a given point in time or the image field is very small compared to the working distance of the optics. As a rule, however, it is desirable to determine the z-coordinate for all points on the surface 40 of the workpiece 26 that are in the measuring field. In that case, of course, no screens can be arranged between the workpiece 26 and the sensor 24 because no light would then reach the imaging optics 38 at all.

Das Abschwächen der ersten Messlichtstrahlen 48a ist aber auf einfache Weise in der Pupillenebene 42 der Abbildungsoptik 38 möglich. Da alle Messlichtstrahlen 48a, 48b, die in der Objektebene 56 unter einem bestimmten Winkel ausgehen, an einem Ort die Pupillenebene 42 durchtreten, lässt sich dort auf einfache Weise eine winkelabhängige Abschwächung der Messlichtstrahlen 48 vornehmen.The weakening of the first measuring light beams 48a is, however, easily possible in the pupil plane 42 of the imaging optics 38 . Since all measuring light beams 48a, 48b, which emanate from the object plane 56 at a specific angle, pass through the pupil plane 42 at one location, an angle-dependent weakening of the measuring light beams 48 can be carried out there in a simple manner.

Die 8 zeigt den in der 2 gezeigten Sensor, aber mit aktivierten LCD-Panel 44. Wie aus dem eingezeichneten Strahlengang hervorgeht, durchtreten die schräg verlaufenden zweiten Messlichtstrahlen 48b nur einen äußeren ringförmigen Bereich der Pupillenebene 42. Achsparallele erste Messlichtstrahlen 48a kreuzen in der Pupillenebene 42 die optische Achse 52. Dem Grenzwinkel 60 entspricht in der Pupillenebene 42 ein Radius rG..The 8th shows the in the 2 sensor shown, but with activated LCD panel 44. As can be seen from the drawn beam path, the obliquely running second measuring light beams 48b only penetrate an outer annular area of the pupil plane 42. Axis-parallel first measuring light beams 48a cross the optical axis 52 in the pupil plane 42. The critical angle 60 corresponds in the pupil plane 42 to a radius r G ..

Um die ersten Messlichtstrahlen 48a maximal abzuschwächen, steuert die Recheneinheit 54 die Flüssigkristallzellen 46 des LCD-Panel 44 so an, dass alle Flüssigkristallzellen 46 innerhalb des Radius rG ihren Transmissionsgrad maximal reduzieren (T ≈ 0), was in der 8 durch eine Schwärzung angedeutet ist. Die übrigen Flüssigkristallzellen - 46 werden von der Recheneinheit 54 so angesteuert, dass sie maximal transparent für das durchtretende Messlicht sind (T ≈100%). Auf diese Weise tragen nur die zweiten Messlichtstrahlen 48b, deren Winkel größer ist als der Grenzwinkel, zur Abbildung der Oberfläche 40 bei. Dadurch wird in der oben erläuterten Weise bei unveränderter numerischer Apertur NA und unveränderter Größe des Messfeldes eine Verringerung der Schärfentiefe und damit einhergehend eine größere Messgenauigkeit in z-Richtung erreicht.In order to maximally weaken the first measuring light rays 48a, the computing unit 54 controls the liquid crystal cells 46 of the LCD panel 44 in such a way that all liquid crystal cells 46 within the radius r G reduce their transmittance to a maximum (T ≈ 0), which is 8th is indicated by a blackening. The remaining liquid crystal cells 46 are controlled by the arithmetic unit 54 in such a way that they are maximally transparent to the measuring light passing through (T≈100%). In this way, only the second measuring light beams 48b, the angle of which is greater than the critical angle, contribute to the imaging of the surface 40. As a result, in the manner explained above, with an unchanged numerical aperture NA and an unchanged size of the measuring field, a reduction in the depth of field and, associated therewith, a greater measuring accuracy in the z-direction is achieved.

Durch die vorstehend beschriebene Ansteuerung des LCD-Panels 44 wird ein Teil des vom Werkstück 26 reflektierten Messlichts obskuriert und trägt damit nicht zur Abbildung bei. Dadurch verringert sich auch die Helligkeit der von dem Bildsensor 36 erfassten Bilder. Vor allem bei stärker absorbierenden Oberflächen 40 des Werkstücks 26 kann dies dazu führen, dass Fehler bei einer zusätzlich durchgeführten Bildverarbeitung, etwa zum Zwecke der Detektion von Kanten oder Profilen, häufiger auftreten.Due to the activation of the LCD panel 44 described above, part of the measurement light reflected by the workpiece 26 is obscured and thus does not contribute to the imaging. This also reduces the brightness of the images captured by the image sensor 36 . Above all in the case of more strongly absorbent surfaces 40 of the workpiece 26, this can lead to errors occurring more frequently in an image processing that is additionally carried out, for example for the purpose of detecting edges or profiles.

Um dies zu vermeiden, können zusätzliche Bilder von der Oberfläche 40 des Werkstücks 26 aufgenommen werden, bei denen das LCD-Panel 44 die ersten Messlichtstrahlen 48a nicht oder zumindest nicht stärker als die zweiten Messlichtstrahlen 48b abschwächt. Zu diesem Zweck steuert die Recheneinheit 54 das LCD-Panel 44 so an, dass alle Flüssigkristallzellen 46 das Messlicht mit maximalem Transmissionsgrad durchtreten lassen, wie dies in der 2 gezeigt ist.In order to avoid this, additional images can be recorded of the surface 40 of the workpiece 26 in which the LCD panel 44 does not attenuate the first measuring light beams 48a or at least not more than the second measuring light beams 48b. For this purpose, the computing unit 54 controls the LCD panel 44 in such a way that all liquid crystal cells 46 allow the measurement light to pass through with maximum transmittance, as is shown in FIG 2 is shown.

Da die Umschaltung des LCD-Panels 44 zwischen einem ersten Modus, in dem die ersten Messlichtstrahlen 48a und die zweiten Messlichtstrahlen 48b unterschiedlich stark abgeschwächt werden, und einem zweiten Modus, in dem die ersten Messlichtstrahlen 48a nicht oder genauso wenig abgeschwächt werden wie die zweiten Messlichtstrahlen 48b, bei dem LCD-Panel 44 sehr schnell erfolgen kann, lassen sich die in den unterschiedlichen Modi aufgenommenen Bilder in schnellem Wechsel aufnehmen. Dadurch können in einer einzigen Verfahrbewegung der Pinole 20 im Wechsel oder quasi-gleichzeitig Bilder mit großer und mit kleiner Schärfentiefe aufgenommen werden.Since the switching of the LCD panel 44 between a first mode in which the first measuring light beams 48a and the second measuring light beams 48b are attenuated to different degrees, and a second mode in which the first measuring light beams 48a are not attenuated or are attenuated just as little as the second measuring light beams 48b, in which the LCD panel 44 can be done very quickly, can be in the different modes captured images in quick succession. As a result, images with a large and a small depth of field can be recorded alternately or quasi-simultaneously in a single displacement movement of the quill 20 .

4. Zweites Ausführungsbeispiel4. Second embodiment

Die 9 zeigt in einer an die 2 und 8 angelehnten Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Sensor 24.The 9 shows in a the 2 and 8th based on a second exemplary embodiment of a sensor 24 according to the invention.

Während bei dem in den 2 und 8 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel das Filterelement als LCD-Panel 44 mit einem ortsabhängigen Transmissionsgrad ausgebildet ist, befindet sich bei dem in der 9 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel in der Pupillenebene 42 ein digitales Spiegelarray 44', das eine Vielzahl von matrixartig angeordneten und einzeln ansteuerbaren Mikrospiegeln 64 enthält. Das Spiegelarray 44' kann als DMD (digital mirror device) ausgebildet sein, wie sie beispielsweise in Projektoren verwendet werden. Im Strahlengang ist zwischen der Pupillenebene 42 und der zweiten Linse L2 ein Planspiegel 63 angeordnet, der den Strahlengang um 90° faltet. Da in der in der 9 gezeigten Neutralstellung, in der die Oberflächen aller Mikrospiegel 64 parallel zueinander ausgerichtet sind, auch das Spiegelarray 44' den Strahlengang um 90° faltet, bleibt die optische Achse 52 - abgesehen von dem Abschnitt zwischen dem Spiegelarray 44' und dem Planspiegel 63 - vertikal ausgerichtet.While at the in the 2 and 8th shown first embodiment, the filter element is designed as an LCD panel 44 with a location-dependent transmittance is located at the in the 9 shown second embodiment in the pupil plane 42 a digital mirror array 44 ', which contains a plurality of matrix-like arranged and individually controllable micro-mirrors 64. The mirror array 44' can be in the form of a DMD (digital mirror device), such as is used in projectors, for example. A plane mirror 63, which folds the beam path by 90°, is arranged in the beam path between the pupil plane 42 and the second lens L2. There in the in the 9 shown neutral position, in which the surfaces of all micromirrors 64 are aligned parallel to one another, and the mirror array 44' also folds the beam path by 90°, the optical axis 52 - apart from the section between the mirror array 44' and the plane mirror 63 - remains vertically aligned.

In der in der 9 gezeigten Neutralstellung des Spiegelarrays 44' findet keine Abschwächung der ersten Messlichtstrahlen 48a statt. Werden die in der Pupillenmitte angeordneten Mikrospiegel 64 auf Veranlassung durch die Rechenheit 54 umgeklappt, wie dies die 10 illustriert, so gelangen die darauf auftreffenden ersten Messlichtstrahlen 48a nicht mehr auf die Linse L1 und tragen somit nicht zur Abbildung bei. Somit lässt sich auch bei diesem Ausführungsbeispiel ein rascher Wechsel zwischen zwei Modi durchführen, in denen die ersten Messlichtstrahlen 48a zur Abbildung beitragen oder nicht.In the in the 9 shown neutral position of the mirror array 44 'there is no weakening of the first measuring light beams 48a. If the micromirrors 64 arranged in the center of the pupil are folded down at the instigation of the arithmetic unit 54, as is the case 10 illustrated, the first measuring light beams 48a striking it no longer reach the lens L1 and thus do not contribute to the imaging. Thus, in this exemplary embodiment as well, a quick change between two modes can be carried out, in which the first measuring light beams 48a contribute to the imaging or not.

5. Drittes Ausführungsbeispiel5. Third embodiment

Die 11 zeigt in einer an die 2 und 8 angelehnten Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel mit einer besonders einfach aufgebauten Filtereinrichtung.The 11 shows in a the 2 and 8th based representation a third embodiment with a particularly simple structure filter device.

Die Filtereinrichtung weist hier kein in der Pupillenebene 42 angeordnetes schaltbares Filterelement aus. Stattdessen wird dort das Filterelement durch eine einfache Kreisblende 44" mit kreisförmigem Umfang gebildet, die zentriert zur optischen Achse 52 angeordnet ist. Wie die Draufsicht auf die Kreisblende 44" gemäß der 12 zeigt, wird diese von vier schmalen Stegen 70 in dem Gehäuse der Kamera 34 gehalten, die im meridionalen Schnitt der 11 allerdings nicht dargestellt sind. Der Anteil der zweiten Messlichtstrahlen 48b, die von den Stegen 70 absorbiert werden, ist vernachlässigbar klein.The filter device does not have a switchable filter element arranged in the pupil plane 42 here. Instead, the filter element there is formed by a simple circular aperture 44" with a circular circumference, which is arranged centered on the optical axis 52. Like the top view of the circular aperture 44" according to FIG 12 shows, this is held by four narrow webs 70 in the housing of the camera 34, the meridional section of the 11 however, are not shown. The portion of the second measuring light beams 48b that are absorbed by the webs 70 is negligibly small.

Die Kreisblende 44" verbleibt vorzugsweise dauerhaft im Strahlengang, so dass keine Bilder aufgenommen werden können, bei denen die ersten Messlichtstrahlen 48a ebenfalls zur Abbildung beitragen. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, die Kreisblende 44" mit Hilfe einer nicht dargestellten Austauschmechanik aus dem Strahlengang automatisiert zu entfernen und bei Bedarf wieder in den Strahlengang einzuführen. Ein solcher Austausch benötigt allerdings vergleichsweise viel Zeit und kann daher nicht während eines kontinuierlichen Verfahrvorgangs der Pinole 20 durchgeführt werden.The circular diaphragm 44" preferably remains permanently in the beam path, so that no images can be recorded in which the first measuring light beams 48a also contribute to the imaging. Alternatively, provision can be made for the circular diaphragm 44" to be automatically removed from the beam path with the aid of an exchange mechanism (not shown). remove it and reinsert it into the beam path if necessary. However, such an exchange requires a comparatively long time and therefore cannot be carried out during a continuous movement of the quill 20 .

6. Viertes Ausführungsbeispiel6. Fourth embodiment

Die 13 zeigt in einer an die 2 angelehnten Darstellung ein viertes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Sensor 24.The 13 shows in a the 2 based on a fourth exemplary embodiment of a sensor 24 according to the invention.

Anstelle ein Filterelement mit ortsabhängigen Transmissions- oder Reflexionsgrad in der Pupillenebene 42 anzuordnen, ist dort als Filterelement ein plattenförmiges Transmissionsfilter 44''' in einem Zwischenraum zwischen dem Werkstück 26 und der zweiten Linse L2 angeordnet. Das Transmissionsfilter 44''' hat einen vom Einfallswinkel α abhängenden Transmissionsgrad T, wie dies in der 14 schematisch dargestellt ist. In dem Graphen der 14 ist erkennbar, dass erste Messlichtstrahlen 48a, deren Winkel bezüglich einer zur optischen Achse parallelen Richtung kleiner ist als ein Grenzwinkel αG, stark abschwächt werden, während zweite Messlichtstrahlen 48b mit größeren Einfallswinkeln als der Grenzwinkel αG fast ohne Abschwächung das Transmissionsfilter 44''' passieren können.Instead of arranging a filter element with a location-dependent degree of transmission or reflection in the pupil plane 42, a plate-shaped transmission filter 44''' is arranged there as a filter element in an intermediate space between the workpiece 26 and the second lens L2. The transmission filter 44''' has a degree of transmission T that depends on the angle of incidence α, as is shown in FIG 14 is shown schematically. In the graph of 14 it can be seen that first measuring light beams 48a, the angle of which with respect to a direction parallel to the optical axis is smaller than a critical angle α G , are greatly attenuated, while second measuring light beams 48b with larger angles of incidence than the critical angle α G penetrate the transmission filter 44''' almost without attenuation. can happen.

Wie bei den anderen Ausführungsbeispielen wird somit auch hier eine winkelselektive Abschwächung der ersten Messlichtstrahlen 48a und damit eine Erhöhung der Messgenauigkeit für die Messung der z-Koordinate erreicht.As in the other exemplary embodiments, an angle-selective weakening of the first measuring light beams 48a and thus an increase in the measuring accuracy for the measurement of the z-coordinate is thus also achieved here.

Claims (11)

Verfahren zur 3D-Koordinatenmessung nach dem Autofokusverfahren mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer Kamera (34), die eine Abbildungsoptik (38) und einen Bildsensor (36) enthält, wobei die Abbildungsoptik (38) eine optische Achse (52) und eine Objektebene (56) hat, die auf den Bildsensor (36) abgebildet wird; b) Beleuchten eines zu vermessenden Werkstücks (26) mit Messlicht; c) Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück (26) und der Objektebene (56) entlang der optischen Achse (52) der Abbildungsoptik (38); d) Aufnehmen von Bildern der Oberfläche (40) des Werkstücks (26) auf dem Bildsensor (36) zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Relativbewegung; e) Speichern der vom Bildsensor (36) während der Relativbewegung aufgenommenen Bilder; f) Berechnen von 3D-Koordinaten der Oberfläche (40) des Werkstücks (26) durch Auswertung zumindest eines Teils der in Schritt e) gespeicherten Bilder; dadurch gekennzeichnet, dass während des Schritts d) eine im Strahlengang des Messlichts angeordnete Filtereinrichtung (4; 44; 44', 44", 44''') zumindest einen Teil von ersten Messlichtstrahlen (48a) abschwächt, die von dem Werkstück (26) unter ersten Winkeln bezüglich einer zur optischen Achse (52) parallelen Richtung (z) ausgehen, die kleiner sind als ein vorgegebener Grenzwinkel, und dass die Filtereinrichtung (4; 44; 44', 44", 44''') zumindest einen Teil von zweiten Messlichtstrahlen (48b) nicht oder zumindest weniger abschwächt als die ersten Messlichtstrahlen (48a), wobei die zweiten Messlichtstrahlen (48b) von dem Werkstück (26) unter zweiten Winkeln bezüglich der zur optischen Achse (52) parallelen Richtung (z) ausgehen, die größer sind als der vorgegebene Grenzwinkel.Method for 3D coordinate measurement using the autofocus method with the following steps: a) providing a camera (34) containing imaging optics (38) and an image sensor (36), the imaging optics (38) having an optical axis (52) and an object plane (56) has that on the image sensor (36) is imaged; b) illuminating a workpiece (26) to be measured with measuring light; c) generating a relative movement between the workpiece (26) and the object plane (56) along the optical axis (52) of the imaging optics (38); d) recording images of the surface (40) of the workpiece (26) on the image sensor (36) at different points in time during the relative movement; e) storing the images recorded by the image sensor (36) during the relative movement; f) calculating 3D coordinates of the surface (40) of the workpiece (26) by evaluating at least some of the images stored in step e); characterized in that during step d) a filter device (4; 44; 44', 44", 44''') arranged in the beam path of the measuring light attenuates at least part of the first measuring light beams (48a) emitted by the workpiece (26) emanate at first angles with respect to a direction (z) parallel to the optical axis (52) which are smaller than a predetermined limit angle, and that the filter device (4; 44; 44', 44", 44''') covers at least a part of second measuring light beams (48b) is not weakened or at least less weakened than the first measuring light beams (48a), wherein the second measuring light beams (48b) emanate from the workpiece (26) at second angles with respect to the direction (z) parallel to the optical axis (52), which are greater than the specified limit angle. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schritts d) die Filtereinrichtung (4; 44; 44', 44", 44''') alle ersten Messlichtstrahlen (48a) vollständig abblendet und alle zweiten Messlichtstrahlen (48b) nicht abschwächt.procedure after claim 1 , characterized in that during step d) the filter device (4; 44; 44', 44", 44''') completely screens out all first measuring light beams (48a) and does not attenuate all second measuring light beams (48b). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung ein in Transmission oder Reflexion wirkendes Filterelement (44; 44'; 44") umfasst, das in einer Pupillenebene (42) der Abbildungsoptik (38) oder zumindest in der Nähe der Pupillenebene (42) angeordnet ist und einen vom Ort abhängenden Transmissionsgrad bzw. Reflexionsgrad hat.Procedure according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that the filter device comprises a filter element (44; 44';44") that acts in transmission or reflection and is arranged in a pupil plane (42) of the imaging optics (38) or at least in the vicinity of the pupil plane (42) and has a location-dependent transmittance or reflectance. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung ein in Transmission oder Reflexion wirkendes Filterelement (44''') umfasst, das in einem Zwischenraum zwischen dem Werkstück (26) und der Abbildungsoptik (38) oder in einem Zwischenraum zwischen dem Bildsensor (36) und der Abbildungsoptik (38) angeordnet ist und einen vom Winkel abhängenden Transmissionsgrad bzw. Reflexionsgrad hat.Procedure according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that the filter device comprises a filter element (44''') acting in transmission or reflection, which is located in an intermediate space between the workpiece (26) and the imaging optics (38) or in an intermediate space between the image sensor (36) and the Imaging optics (38) is arranged and has a degree of transmission or reflectance that depends on the angle. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einigen Relativpositionen zwischen dem Werkstück (26) und der Objektebene (56) zusätzliche Bilder von der Oberfläche (40) des Werkstücks (26) aufgenommen werden, bei denen die Filtereinrichtung (44; 44') die ersten Messlichtstrahlen (48a) nicht oder zumindest nicht stärker als die zweiten Messlichtstrahlen (48b) abschwächt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that additional images of the surface (40) of the workpiece (26) are recorded at least in some relative positions between the workpiece (26) and the object plane (56), in which the filter device (44; 44') does not attenuate the first measuring light beams (48a) or at least not more than the second measuring light beams (48b). Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (44; 44') zwischen einem ersten Modus, in dem sie die ersten Messlichtstrahlen (48a) und die zweiten Messlichtstrahlen (48b) unterschiedlich stark abschwächt, und einem zweiten Modus wechselt, in dem sie die ersten Messlichtstrahlen (48a) nicht oder genauso wenig abschwächt wie die zweiten Messlichtstrahlen (48b).procedure after claim 5 , characterized in that the filter device (44; 44') changes between a first mode, in which it attenuates the first measuring light beams (48a) and the second measuring light beams (48b) to different extents, and a second mode, in which it changes the first measuring light beams (48a) does not weaken or weakens just as little as the second measuring light beams (48b). Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung ein schaltbares LCD-Panel (44) oder ein schaltbares Mikrospiegelarray (44') aufweist.procedure after claim 6 , characterized in that the filter device has a switchable LCD panel (44) or a switchable micromirror array (44'). Gerät zur 3D-Koordinatenmessung nach dem Autofokusverfahren, mit: a) einer Kamera (34), die eine Abbildungsoptik (38) und einen Bildsensor (36) enthält, wobei die Abbildungsoptik (38) eine optische Achse (52) und eine Objektebene (56) hat, die auf den Bildsensor (36) abgebildet wird, b) einer Beleuchtungseinrichtung (50), die dazu eingerichtet ist, ein zu vermessendes Werkstück (26) mit Messlicht zu beleuchten, c) einem Antrieb (53) oder einem verstellbaren optischen Element zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück (26) und der Objektebene (56) entlang der optischen Achse (52) der Abbildungsoptik (38), d) einem Speicher (55) zum Speichern von Bildern der Oberfläche (40) des Werkstücks (26), die von dem Bildsensor (36) zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Relativbewegung aufgenommen wurden, e) einer Recheneinheit (54), die dazu eingerichtet ist, 3D-Koordinaten der Oberfläche des Werkstücks (26) durch Auswertung zumindest eines Teils der in Schritt e) gespeicherten Bilder zu berechnen, gekennzeichnet durch eine im Strahlengang des Messlichts angeordnete Filtereinrichtung (4; 44; 44', 44'', 44'''), die dazu eingerichtet ist, während der Aufnahme von Bildern der Oberfläche (40) des Werkstücks (26) - zumindest einen Teil von ersten Messlichtstrahlen (48a) abzuschwächen, die von dem Werkstück (26) unter ersten Winkeln bezüglich einer zur optischen Achse (52) parallelen Richtung (z) ausgehen, die kleiner sind als ein vorgegebener Grenzwinkel, und - zumindest einen Teil von zweiten Messlichtstrahlen (48b) nicht oder zumindest weniger abschwächt als die ersten Messlichtstrahlen (48a), wobei die zweiten Messlichtstrahlen (48b) von dem Werkstück (26) unter zweiten Winkeln bezüglich der zur optischen Achse (52) parallelen Richtung (z) ausgehen, die größer sind als der vorgegebene Grenzwinkel.Device for 3D coordinate measurement using the autofocus method, having: a) a camera (34) which contains imaging optics (38) and an image sensor (36), the imaging optics (38) having an optical axis (52) and an object plane (56 ) which is imaged on the image sensor (36), b) an illumination device (50) which is set up to illuminate a workpiece (26) to be measured with measuring light, c) a drive (53) or an adjustable optical element for generating a relative movement between the workpiece (26) and the object plane (56) along the optical axis (52) of the imaging optics (38), d) a memory (55) for storing images of the surface (40) of the workpiece (26) , which were recorded by the image sensor (36) at different times of the relative movement, e) a computing unit (54) which is set up to calculate 3D coordinates of the surface of the workpiece (26) by evaluating at least some of the data stored in step e). to calculate images, characterized by a filter device (4; 44; 44', 44'', 44''') which is set up to attenuate at least part of first measuring light beams (48a) emitted by the workpiece ( 26) emanate at first angles with respect to a direction (z) parallel to the optical axis (52) which are smaller than a predetermined critical angle, and - at least some of the second measuring light beams (48b) are not attenuated or at least less than the first measuring light beams (48a), the second measuring light beams (48b) emanating from the workpiece (26) at second angles with respect to the direction (z) parallel to the optical axis (52), which are greater than the predetermined critical angle. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (4; 44; 44', 44'', 44''') dazu eingerichtet ist, alle ersten Messlichtstrahlen (48a) vollständig abzublenden und alle zweiten Messlichtstrahlen (48b) nicht abzuschwächen.device after claim 8 , characterized in that the filter device (4; 44; 44', 44'', 44''') is set up to completely screen out all first measuring light beams (48a) and not to attenuate all second measuring light beams (48b). Gerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (54) ferner dazu eingerichtet ist, das Gerät (10) so zu steuern, dass zumindest in einigen Relativpositionen zwischen dem Werkstück (26) und der Objektebene (56) zusätzliche Bilder von der Oberfläche (40) des Werkstücks (26) aufgenommen werden, bei denen die Filtereinrichtung (44; 44') die ersten Messlichtstrahlen (48) nicht oder zumindest nicht stärker als die zweiten Messlichtstrahlen (48b) abschwächt.device after claim 8 or 9 , characterized in that the computing unit (54) is also set up to control the device (10) in such a way that at least in some relative positions between the workpiece (26) and the object plane (56) additional images of the surface (40) of the Workpiece (26) are recorded, in which the filter device (44; 44 ') does not weaken the first measuring light beams (48) or at least not more than the second measuring light beams (48b). Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (54) die Filtereinrichtung (44; 44') so ansteuert, dass die Filtereinrichtung (44; 44') zwischen einem ersten Modus, in dem sie die ersten Messlichtstrahlen (48a) und die zweiten Messlichtstrahlen (48b) unterschiedlich stark abschwächt, und einem zweiten Modus wechselt, in dem sie die ersten Messlichtstrahlen (48a) nicht oder genauso wenig abschwächt wie die zweiten Messlichtstrahlen (48b).device after claim 10 , characterized in that the computing unit (54) controls the filter device (44; 44') in such a way that the filter device (44; 44') switches between a first mode in which it transmits the first measuring light beams (48a) and the second measuring light beams (48b ) weakens to different degrees, and changes to a second mode in which it does not weaken the first measuring light beams (48a) or just as little as the second measuring light beams (48b).
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