DE19524498B4

DE19524498B4 - Image processing system

Info

Publication number: DE19524498B4
Application number: DE1995124498
Authority: DE
Inventors: Norbert Steffens
Original assignee: Mahr Multisensor GmbH
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 1995-07-05
Filing date: 1995-07-05
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2015-07-06
Also published as: DE19524498A1

Abstract

Bildverarbeitungssystem für Mess- und Prüfaufgaben,
mit einem Objektiv (5), das eine auf ein Messobjekt (2) gerichtete optische Achse (11) festlegt,
mit wenigstens einem Strahlteiler (8), durch den die optische Achse (11) des Objektivs (5) verläuft,
mit wenigstens zwei unterschiedlichen CCD-Kameras (6, 6.1, 6.2, 6.3), die an den Strahlteiler (8) angeschlossen sind und gleichzeitig Bilder des Messobjekts (2) mit unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben liefern, wobei ein Abbildungsmaßstab durch ^Umschalten zwischen Bildsignalen der verschiedenen Kameras (6, 6.1, 6.2, 6.3) auswählbar ist, indem die Kameras (6, 6.1, 6.2, 6.3) bei übereinstimmenden Bildauflösungen unterschiedliche Chipgrößen aufweisen, um die unterschiedlichen Abbildungsmaßstäbe bei gleichbleibender Auflösung zu liefern, und
mit einer Elektronik bestehend aus einem Multiplexer (9) und einem Wandlerelement (10), wobei der Elektronik die Kamera-Ausgangssignale zugeführt sind und durch die Elektronik aufgenommene Bildsignale der Kameras auswählbar sind.Image processing system for measurement and inspection tasks,
with a lens (5) defining an optical axis (11) directed at a measuring object (2),
with at least one beam splitter (8), through which passes the optical axis (11) of the objective (5),
with at least two different CCD cameras (6, 6.1, 6.2, 6.3), which are connected to the beam splitter (8) and at the same time deliver images of the measurement object (2) with different imaging scales, wherein a magnification by ^switching between image signals of the different cameras ( 6, 6.1, 6.2, 6.3) can be selected by the cameras (6, 6.1, 6.2, 6.3) have different chip sizes with matching image resolutions to provide the different magnifications while maintaining resolution, and
with an electronics consisting of a multiplexer (9) and a transducer element (10), wherein the electronics are supplied to the camera output signals and by the electronics recorded image signals of the cameras are selectable.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bildverarbeitungssystem für die Lösung von Prüf- und Meßaufgaben nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to an image processing system for the solution of testing and measuring tasks according to the preamble of claim 1

Bildverarbeitungssysteme stellen im Prinzip eine Meßkette oder Prüfkette dar, welche sich aus einem Meßwertaufnehmer, einer Meßwertverarbeitung und einer Meßwertausgabe zusammensetzt.Image Processing Systems in principle make a measuring chain or test chain which consists of a transducer, a measured value processing and a measured value output composed.

Der Meßwertaufnehmer besteht dabei regelmäßig aus einer Kamera, einem Objektiv, einem Wandlerelement und einer Elektronik. Die Kamera erfaßt optisch das Prüf- oder Meßobjekt. Der opto-elektronische Bildwandler setzt anschließend die optische Information in ein elektrisches Signal um, das in der Meßwertverarbeitung mit Bildspeicher weiter analysiert wird. Die eigentliche Intelligenz der Bildverarbeitungssysteme liegt in der entsprechenden Verarbeitungslogik, die mit Hilfe von spezieller Hardware und Software in Verbindung mit einem Prozeßrechner realisiert wird.Of the transducer exists regularly a camera, a lens, a transducer element and electronics. The camera is detecting optically the test or DUT. The opto-electronic image converter then sets the optical Information in an electrical signal to that in the Meßwertverarbeitung is further analyzed with image memory. The real intelligence of the image processing systems lies in the corresponding processing logic, which is connected with the help of special hardware and software with a process computer is realized.

Das Ergebnis der Meßoperationen wird entweder in ein für den Menschen lesbares Signal umgewandelt und ausgegeben, oder es werden direkt Steuergrößen bereitgestellt, die eine Bewertung (Sortieren nach GUT oder SCHLECHT) ermöglichen.The Result of the measuring operations will either be in for a the human readable signal converted and spent, or it directly, control variables are provided which allow a rating (sorting for GOOD or BAD).

Bildverarbeitungssysteme der geschilderten Art werden beispielsweise in optischen Koordinatenmeßgeräten eingesetzt. Die dabei genutzte optische Antastung bringt gegenüber den Koordinatenmeßsystemen mit elektromechanischen Tastsystemen den Vorteil einer wesentlich höheren Meßgeschwindigkeit und Meßgenauigkeit, wobei die Antastung vorteilhafterweise ohne Aufbringen einer Meß- oder Antastkraft und damit ohne Einfluß auf das Meßobjekt erfolgt. Demzufolge werden bei solchen Meßsystemen Verformungen oder Beschädigungen am Meßobjekt, beispielsweise durch Kratzer oder dergleichen, vermieden.Image Processing Systems The described type are used for example in optical coordinate. The used optical probing brings against the Koordinatenmeßsystemen with electromechanical Tastsystemen the advantage of a significant higher measuring speed and measuring accuracy, wherein the probing advantageously without applying a measuring or probing force and thus without influence on the test object he follows. Consequently, in such measuring systems deformations or damage on the test object, for example, by scratches or the like, avoided.

Ein anderes Einsatzgebiet eines Bildverarbeitungssystems ist durch die DE 43 22 870 C1 offenbart. Mit dieser deutschen Patentschrift wird ein Verfahren zur Beurteilung der Reinheit von Werkstückoberflächen mittels eines opto-elektronischen Bilderfassungs-, Bildverarbeitungs- und Bilddarstellungssystems vorgestellt. Um das Verfahren mit relativ einfachen Mitteln durchzuführen, wird eine Anordnung aus einer handelsüblichen CCD-Kamera als Bildaufnahmegerät und einem Rechner gewählt. Die Bildwiedergabe erfolgt durch eine Flüssigkristallanzeige (LCD-Display).Another field of application of an image processing system is through the DE 43 22 870 C1 disclosed. With this German patent a method for assessing the purity of workpiece surfaces by means of an opto-electronic image acquisition, image processing and image display system is presented. In order to carry out the method with relatively simple means, an arrangement of a commercially available CCD camera is selected as an image recording device and a computer. The image is reproduced by a liquid crystal display (LCD display).

Beim optischen Messen mittels digitaler Bildverarbeitung ist es grundsätzlich von Vorteil, den Abbildungsmaßstab an die jeweilige Meßaufgabe automatisch anpassen zu können. Von Nachteil ist es dabei jedoch, daß ein Wechsel des Abbildungsmaßstabes immer auch einen Wechsel des Objektives erfordert. Dies ist mit einer Unterbrechung. des Meß- oder Prüfablaufs und der jeweils erneut notwendigen Kalibrierung des Abbildungssystems verbunden. Das ist auch dann der Fall, wenn das Objektiv motorisiert gewechselt wird oder eine motorisierte Verschiebung von optischen Baugruppen erfolgt.At the Optical measurements by means of digital image processing, it is basically of Advantage, the magnification to the respective measuring task automatically adjust. The disadvantage, it is, however, that a change in the magnification always requires a change of the lens. This is with a break. of the measuring or test procedure and the re-necessary calibration of the imaging system connected. This is also the case when the lens is motorized is changed or a motorized shift of optical Assemblies takes place.

Aus der DE 36 13 209 C2 ist eine optische Oberflächenprofil-Messeinrichtung bekannt, deren Strahlengang einen Strahlteiler enthält. Der Strahlteiler verzweigt den Strahlengang zu einem ersten Erfassungssystem, das als eine erste optische Oberflächenprofil-Messeinrichtung mit hohem Auflösungsvermögen dient. Der Strahlteiler verzweigt den Strahlengang außerdem zu einem zweiten Erfassungssystem, das als eine zweite optische Oberflächenprofil-Messeinrichtung dient, die einen weiten Messbereich hat. Die erste und die zweite Oberflächenprofil-Messeinrichtung sind so nebeneinander angeordnet, dass derselbe Teil der zu messenden Oberfläche auf der optischen Achse liegt, so dass er mit beiden Oberflächenprofil-Messeinrichtungen gleichzeitig messbar ist.From the DE 36 13 209 C2 is an optical surface profile measuring device is known, the beam path includes a beam splitter. The beam splitter branches the beam path to a first detection system serving as a first optical surface profile measuring device with high resolution. The beam splitter also branches the beam path to a second detection system serving as a second optical surface profile measuring device having a wide measuring range. The first and the second surface profile measuring device are arranged side by side so that the same part of the surface to be measured lies on the optical axis, so that it can be measured simultaneously with both surface profile measuring devices.

Eine solche Oberflächenmess-Einrichtung kann zur Messwerterfassung einen optischen Fotosensor einschließen. Allerdings wird mit der Messeinrichtung keine bildliche 2D-Erfassung ermöglicht.A Such surface measuring device can include a photo sensor for data acquisition. Indeed the measuring device does not permit 2D imaging.

Die US 4 769 698 offenbart ein Bilderfassungssystem mit einem dem Prüfling zugewandten Objektiv und einem im Strahlengang vorgesehenen Strahlteiler. Dieser verzweigt den Strahlengang zu zwei TV-Kameras, die an Monitore angeschlossen sind. Eine der TV-Kameras kann mit geringerer Ablenkspannung betrieben werden, so dass sie die gleiche Anzahl von Linien auf einer kleineren Fläche abtastet. Diese Betriebsart wird als Unter-nabtastung bezeichnet. Sie liefert einen anderen Abbildungsmaßstab als die andere Kamera, denn es wird durch die geringere Ablenkspannung ein kleinerer Bildausschnitt abgetastet und auf dem unveränderten Monitor dargestellt.The US 4,769,698 discloses an image acquisition system with a lens facing the DUT and a beam splitter provided in the beam path. This branches the beam path to two TV cameras, which are connected to monitors. One of the TV cameras can be operated with lower deflection voltage so that it scans the same number of lines on a smaller area. This mode is called sub-sampling. It provides a different magnification than the other camera, because it is scanned by the lower deflection a smaller image detail and displayed on the unmodified monitor.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Bildverarbeitungssystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das mehrere Abbildungsmaßstäbe ermöglicht, ohne dazu eine (mechanische) Veränderung des Abbildungssystems vornehmen zu müssen.It Object of the invention, an image processing system of the beginning to create said type, which allows multiple magnifications, without a (mechanical) change of the imaging system to have to make.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelösst.These The object is achieved by the Characteristics of claim 1 solved.

Erfinderische Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieses Lösungsgedankens sind in den Unteransprüchen 2 und 3 beschrieben.innovative Embodiments and developments of this solution idea are in the dependent claims 2 and 3 described.

Durch den Einsatz eines sogenannten Stufenzooms werden in überraschend einfacher Weise mehrere Abbildungsmaßstäbe eines Meßobjektes ermöglicht. Die Realiesierung erfolgt durch die Erweiterung des optischen Systems um einen oder mehrere Strahlteiler, so daß gleichzeitig mehrere CCD-Kameras ein Bild des Meß- oder Prüfobjektes zur Verfügung haben. Durch immer kleiner werdende CCD-Chips bei gleichbleibender Auflösung von zum Beispiel 2/3 inch, 1/2 inch und 1/3 inch ist es möglich, unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe durch Verwendung unterschiedlicher CCD-Chips ohne zusätzliche optische Baugruppen opto-elektronisch zu verwirklichen.By the use of a so-called step zoom will be surprising easily allows multiple imaging scales of a DUT. Realization takes place through the extension of the optical system by one or more beam splitters, so that several CCD cameras simultaneously an image of the measuring or test object to disposal to have. With smaller and smaller CCD chips at a constant resolution for example, 2/3 inch, 1/2 inch and 1/3 inch, it is possible to use different ones Image scales by Use of different CCD chips without additional optical assemblies to realize opto-electronically.

Eine Kalibrierung der Abbildungsmaßstäbe muß einmalig beim Wechsel des Objektives durchgeführt werden. Während der Meß- und Prüfvorgänge sind die Abbildungsmaßstäbe jedoch konstant.A Calibration of the image scales must be unique be performed when changing the lens. During the Measuring and testing operations are the picture scales, however constant.

Durch das elektrische oder elektronische Umschalten des Bildsignals der verschiedenen Kameras kann der jeweilige Abbildungsmaßstab ohne Zeitverlust ausgewählt werden.By the electrical or electronic switching of the image signal of the Different cameras can the respective magnification without loss of time selected become.

In der Zeichnung ist ein Beispiel der Erfindung dargestellt.In The drawing shows an example of the invention.

Die einzige Figur zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild des Bildverarbeitungssystems anhand eines Vier-Stufen-Zooms. Auf einem Meßtisch 1 befindet sich ein Meß- oder Prüfobjekt 2. Es sei beispielsweise die berührungslose Messung der Werkstückgeometrie des Meßobjektes 2 verlangt. Als Lichtquelle 3 werden je nach Einsatzzweck und Meßverfahren Laser, gerichtete Auflichtbeleuchtung, diffuse Auflichtbeleuchtung, ein telezentrisches Durchlicht oder eine strukturierte Beleuchtung installiert.The single figure shows a simplified block diagram of the image processing system based on a four-level zoom. On a measuring table 1 there is a measuring or test object 2 , It is, for example, the non-contact measurement of the workpiece geometry of the measurement object 2 required. As a light source 3 Depending on the purpose and method of measurement, lasers, directional incident illumination, diffused incident illumination, telecentric transmitted light or structured illumination are installed.

Der in seiner Gesamtheit als Meßwertaufnehmer 4 des Bildverarbeitungssystems bezeichnete Block besteht aus dem Objektiv 5, den im Beispiel vier CCD-Kameras 6, dem Stufenzoom 7 aus drei Strahlteilern 8, dem Multiplexer 9 und dem Wandlerelement (Analog-Digitalwandler 10). Die optische Achse 11 des Objektives 5 ist auf das Meßobjekt 2 gerichtet und verläuft durch die Stahlteiler 8 bzw. 8.1 und 8.2, die als teildurchlässige Spiegel in Form eines rechten Winkels aneinandergesetzt sind. Von dem ersten Strahlteiler 8 nach dem Objektiv 5 geht die optische Achse 11 einerseits geradlinig durch zum zweiten Strahlteiler 8.1. Andererseits wird die optische Achse 11 im Stahlteiler 8 (teildurchlässiger Spiegel) rechtwinklig umgelenkt zum dritten Strahlteiler 8.2. Von den Stahlteilern 8.1 und 8.2 verlaufen die optischen Achsen 11 in Anwendung der teildurchlässigen Spiegel wiederum einerseits geradlinig durch und andererseits um 90° umgelenkt zu den Ausgängen der Strahlteiler 8.1 und 8.2.In its entirety as a transducer 4 the image processing system designated block consists of the lens 5 , in the example four CCD cameras 6 , the step zoom 7 from three beam splitters 8th , the multiplexer 9 and the transducer element (analog-to-digital converter 10 ). The optical axis 11 of the objective 5 is on the DUT 2 directed and passes through the steel divider 8th respectively. 8.1 and 8.2 which are juxtaposed as partially transparent mirrors in the form of a right angle. From the first beam splitter 8th after the lens 5 goes the optical axis 11 on the one hand straight through to the second beam splitter 8.1 , On the other hand, the optical axis becomes 11 in the steel divider 8th (partially transmissive mirror) at right angles to the third beam splitter 8.2 , From the steel dividers 8.1 and 8.2 the optical axes run 11 in application of the partially transmissive mirror turn on the one hand straight through and on the other hand by 90 ° deflected to the outputs of the beam splitter 8.1 and 8.2 ,

Den Strahlteilern 8.1 und 8.2 sind jeweils zwei CCD-Kameras 6 und 6.1 bzw. 6.2 und 6.3 auf der optischen Achse 11 nachgeschaltet. Dies bedeutet, daß alle CCD-Kameras 6 bis 6.3 das Bild des Meßobjektes 2 gleichzeitig zur Verfügung haben. Die CCD-Kameras 6 bis 6.3 besitzen immer kleiner werdende, also unterschiedliche Chips bei gleicher Auflösung. Eine bevorzugte Maßstabsreihe ist 1 inch–2/3 inch–1/2 inch–1/3 inch. Diese nach heutiger Technik einsetzbaren Chipgrößen werden zukünftig kleiner werden und die Maßstabsreihe von kleiner 1/5 inch erreichen, beispielsweise 1/5 inch–1/10 inch und so weiter in mathematischer Folge.The beam splitters 8.1 and 8.2 There are two CCD cameras each 6 and 6.1 respectively. 6.2 and 6.3 on the optical axis 11 downstream. This means that all CCD cameras 6 to 6.3 the picture of the object to be measured 2 available at the same time. The CCD cameras 6 to 6.3 have ever smaller, so different chips at the same resolution. A preferred scale range is 1 inch-2/3 inch-1/2 inch-1/3 inch. These chip sizes, which can be used today, will be smaller in the future and reach the scale range of less than 1/5 inch, for example 1/5 inch-1/10 inch and so on in a mathematical sequence.

Von den CCD-Kameras 6, 6.1, 6.2 und 6.3 führen Leitungsverbindungen 12, 12.1, 12.2 und 12.3 zur Weiterleitung der Bildaufnahmesignale zu einem Multiplexer 9, der seinerseits mit dem Analog-Digitalwandler 10 wirkverbunden ist. Der Block des Meßwertaufnehmers 4 ist mit dem Block der Meßverarbeitung verbunden, der durch einen Rechner 13 mit angeschlossenem Speicher sowie einer Verarbeitungshardware und einer Verarbeitungssoftware schematisch dargestellt ist. Mit 14 ist die Meßwertausgabe bezeichnet, die eine Anzeige oder eine Steuergröße sein kann.From the CCD cameras 6 . 6.1 . 6.2 and 6.3 lead line connections 12 . 12.1 . 12.2 and 12.3 for forwarding the image acquisition signals to a multiplexer 9 , in turn, with the analog-to-digital converter 10 is actively connected. The block of the transducer 4 is connected to the block of measurement processing by a computer 13 with attached memory as well as a processing hardware and a processing software is shown schematically. With 14 is the measured value output denoted, which may be an indication or a control variable.

Claims

Image processing system for measurement and inspection tasks, with a lens ( 5 ), the one on a measuring object ( 2 ) directed optical axis ( 11 ), with at least one beam splitter ( 8th ), through which the optical axis ( 11 ) of the lens ( 5 ), with at least two different CCD cameras ( 6 . 6.1 . 6.2 . 6.3 ) connected to the beam splitter ( 8th ) and at the same time images of the test object ( 2 ) with different magnifications, wherein a magnification by ^switching between image signals of the different cameras ( 6 . 6.1 . 6.2 . 6.3 ) is selectable by the cameras ( 6 . 6.1 . 6.2 . 6.3 ) have different chip sizes at matching image resolutions in order to provide the different magnifications at constant resolution, and with an electronics consisting of a multiplexer ( 9 ) and a transducer element ( 10 ), wherein the electronics are supplied to the camera output signals and the camera recorded image signals of the cameras are selectable.

Image processing system according to claim 1, characterized in that to the beam splitter ( 8th ) two further beam splitters ( 8.1 . 8.2 . 8.3 ) are connected to the two cameras ( 6 . 6.1 ; 6.2 . 6.3 ) are connected.

Image processing system according to claim 1, characterized in that the cameras ( 6 . 6.1 . 6.2 . 6.3 ) CCD chips with chip sizes of one inch, two thirds inch, one half inch and one third inch or smaller.