DE19956761A1

DE19956761A1 - Determining distance of point on object to reference point for automatic contrast focus with three optical paths, involves measuring contrast values

Info

Publication number: DE19956761A1
Application number: DE1999156761
Authority: DE
Inventors: Christian Lotze
Original assignee: Werth Messtechnik GmbH
Current assignee: Werth Messtechnik GmbH
Priority date: 1999-11-25
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2001-06-07

Abstract

The method involves measuring contrast distributions at the ends of at least three optical paths of different lengths depending on the distance to the measurement point using at least one sensor and are related to each other. Contrast values are measured and transformed at a defined distance and transformed to previously determined contrast distribution at the end of one path. The method involves measuring contrasts of points whose images are formed in the working plane of a sensor (14,20,22) with a lens (18) in a movable sensing head and containing the sensor. Contrast distributions are measured at the ends of at least three optical paths of different lengths depending on the distance to the measurement point (10) using at least one sensor and are related to each other. Contrast values are measured and transformed at a defined distance and transformed to previously determined contrast distribution at the end of one path. An Independent claims is also included for an arrangement for determining the distance of a point on an object to a reference point for automatic contrast focus.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Abstandes eines Punktes eines Objektes zu einem vorgegebenen Bezugspunkt wie Sensor mittels durch Messung von Kontrastwerten des in der Arbeitsebene des Sensors abgebildeten Punktes, insbesondere zur scannenden Profilbestimmung einer Materialoberfläche mit einem Koordinatenmessgerät, wobei eine in einem relativ zur Objektoberfläche beweglichen Tastkopf angeordnete den Sensor umfassende Optik zu dem Objekt eingestellt und aus der Position der Optik gegenüber dem Objekt der Abstand bzw. dessen Profil bestimmt wird, wobei im Abbildungsstrahlengang der Optik an den Enden zumindest zweier unterschiedlich langer optischer Wege jeweils die Kontrastwerte des abgebildeten Punktes gemessen werden.The invention relates to a method for determining the distance of a point of an object to a given reference point like sensor by measuring Contrast values of the point imaged in the working plane of the sensor, in particular for scanning profile determination of a material surface with a coordinate measuring machine, a arranged in a probe movable relative to the object surface Sensor comprehensive optics set to the object and from the position of the optics opposite the distance of the object or its profile is determined, in the imaging beam path the optics at the ends of at least two optical paths of different lengths Contrast values of the depicted point can be measured.

Zur Oberflächenanalyse von Materialoberflächen werden optisch abtastende Messsysteme eingesetzt, die nach dem Autofokusprinzip arbeiten. Es werden beispielsweise einzelne Autofokuspunkte nach dem Kontrastverfahren bei der Abtastung gemessen. Um vollständige Konturen aufzunehmen, benötigt dieses Verfahren lange Messzeiten. Pro Messpunkt sind einige Sekunden erforderlich.Optically scanning measuring systems are used for the surface analysis of material surfaces used that work on the auto focus principle. For example, individual Autofocus points measured using the contrast method during scanning. To complete This method requires long measuring times to record contours. Are per measurement point required a few seconds.

Aus P. Profos, T. Pfeifer (Hrsg.): Handbuch der industriellen Messtechnik, 5. Aufl., Olden bourg Verlag, München-Wien 1992, S. 455, 456 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt. Dabei werden Laserabstandssensoren für die Erfassung von Oberflächen-Topogra phien verwendet. Bei dem bekannten Verfahren wird Licht einer Laserdiode über einen Kolli mator und ein bewegliches Objektiv auf die Materialoberfläche geworfen. Das von der Ober fläche reflektierte Licht gelangt über die Objektivlinse, den Kollimator und einem Strahlteiler zu einem optoelektronischen Fokusdetektor in Form einer Modemzeile. Die Objektivlinse wird oberflächentopographieabhängig nachgeführt. Aus ihrer Bewegung wird das Höhenprofil ermittelt. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht in der starken Empfindlichkeit gegenüber Eigenschaftsänderungen der Materialoberfläche.From P. Profos, T. Pfeifer (ed.): Handbuch der industrial Messtechnik, 5th edition, Olden bourg Verlag, Munich-Vienna 1992, pp. 455, 456 is a procedure of the type mentioned at the beginning known. Laser distance sensors are used for the detection of surface topography phien used. In the known method, light from a laser diode is transmitted via a package mator and a movable lens thrown onto the material surface. That from the waiter Surface reflected light passes through the objective lens, the collimator and a beam splitter to an optoelectronic focus detector in the form of a modem line. The objective lens is updated depending on the surface topography. Their movement becomes the height profile determined. A disadvantage of this method is the high sensitivity to it Changes in properties of the material surface.

Aus H. Naumann, G. Schröder: Bauelemente der Optik, Taschenbuch der technischen Optik, 6. Aufl., C. Hanser Verlag, München-Wien 1992, S. 348, 349, ist eine Autofokussierung durch Kontrastmessung bekannt, wobei drei unterschiedlich lange optische Wege zur photo metrischen Kontrastmessung benutzt und eine Scharfstellposition an einem Kontrastunter schied erkannt wird.From H. Naumann, G. Schröder: Components of Optics, Paperback of Technical Optics, 6th edition, C. Hanser Verlag, Munich-Vienna 1992, pp. 348, 349, is an autofocus known by contrast measurement, with three different optical paths for photo metric contrast measurement and a focus position on a contrast underneath is recognized.

Aus der DE-Z: VDI-Z 131 (1989) Nr. 11, S. 12-16 R.-J. Ahlers, W. Rauh: "Koordinaten messtechnik mit Bildverarbeitung" ist eine Koordinatenmessung nach dem Autofokusprinzip bekannt, bei der durch Kontrastanalyse mit Ortsfrequenzmessung der von einem bilderfassen den Sensor gelieferten Daten eine dreidimensionale Objektvermessung erfolgen kann.From DE-Z: VDI-Z 131 (1989) No. 11, pp. 12-16 R.-J. Ahlers, W. Rauh: "Coordinates measurement technology with image processing "is a coordinate measurement based on the autofocus principle known in which by contrast analysis with spatial frequency measurement that of an image capture a three-dimensional object measurement can take place.

In der WO 99/53271 wird ein Verfahren zur punktweise scannenden Profilbestimmung einer Materialoberfläche mit einem Koordinatenmessgerät nach dem Autofokusprinzip beschrieben, wobei eine in einem relativ zur Materialoberfläche beweglichen Tastkopf angeordnete Optik automatisch in ihrem Abstand zur Materialoberfläche eingestellt und aus der Position der Optik gegenüber der Materialoberfläche das Profil der Materialoberfläche dadurch bestimmt wird, dass im Abbildungsstrahlengang der Optik an den Enden zweier unterschiedlich langer optischer Wege jeweils der photometrische Kontrast gemessen wird und dass die Abstandein stellung der Optik so erfolgt, dass die gemessenen Kontrastwerte gleich oder nahezu gleich sind. Wird der Tastkopf gegen die Materialoberfläche oder von dieser weg bewegt, ändert sich die Lage der von der Optik abgebildeten Ebene gegenüber den Enden der beiden optischen Wege, an denen der Kontrast gemessen wird. Vom Abstand der Abbildungsebene der Oberfläche des Materials von den Enden, an denen der Kontrast gemessen wird, hängt die Größe des jeweiligen Kontrastwerts ab. Gleiche Kontrastwerte treten auf, wenn die Abbil dungsebene den gleichen Abstand von den Enden der optischen Wege hat. Durch Ver änderungen der Tastkopfposition gegenüber der Oberfläche so lange, bis die gemessenen Kontrastwerte gleich sind, wird eine genaue Fokussierung erreicht.WO 99/53271 describes a method for point-wise scanning profile determination Material surface described with a coordinate measuring machine based on the autofocus principle, wherein an optics arranged in a probe movable relative to the material surface automatically set in their distance to the material surface and from the position of the Optics compared to the material surface determines the profile of the material surface is that in the imaging beam path of the optics at the ends of two different lengths optical path each time the photometric contrast is measured and that the distance is The optics are positioned so that the measured contrast values are the same or almost the same are. If the probe is moved against the material surface or away from it, changes the position of the plane depicted by the optics is opposite the ends of the two optical paths by which the contrast is measured. From the distance of the image plane The surface of the material depends on the ends at which the contrast is measured Size of the respective contrast value. The same contrast values occur when the Fig plane has the same distance from the ends of the optical paths. By ver Changes in the probe position relative to the surface until the measured Contrast values are the same, precise focusing is achieved.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren der eingangs genann ten Art so weiterzubilden, dass überaus schnell und präzise der Abstand zwischen dem Objekt und dem Bezugspunkt wie Optik bzw. Sensor bestimmt werden kann, wobei gegebenenfalls gleichzeitig mehrere Punkte in der Ebene des Objektes gemessen werden sollen. Gleichzeitig soll eine apparative Vereinfachung und damit geringere Störanfälligkeit erzielt werden.The present invention is based on the problem of a method mentioned at the outset ten kind so that the distance between the object is extremely fast and precise and the reference point such as optics or sensor can be determined, where appropriate several points in the plane of the object are to be measured at the same time. At the same time A simplification of the apparatus and thus less susceptibility to faults is to be achieved.

Verfahrensmäßig wird das Problem im Wesentlichen dadurch gelöst, dass im Abbildungs strahlengang der Optik an Enden von zumindest drei unterschiedlich lang optischen Wegen Kontrastverteilungen der Strahlungen in Abhängigkeit von dem Abstand zu dem zu messen den Punkt des Objektes mittels zumindest eines Sensors bestimmt und die ermittelten Kontrastverteilungen zueinander in Beziehung gesetzt werden und dass zur Bestimmung des Abstands zwischen dem zu messenden Punkt und dem Bezugspunkt in einem vorgegebenen Abstand Kontrastwerte des über die zumindest drei unterschiedlich langen optischen Wege abgebildeten Punktes gemessen und auf zuvor bestimmte Kontrastverteilung am Ende eines der optischen Wege transformiert werden.In terms of the method, the problem is essentially solved in that in the image beam path of the optics at the ends of at least three optical paths of different lengths Contrast distributions of the radiation depending on the distance to be measured the point of the object is determined by means of at least one sensor and the ascertained Contrast distributions are related to each other and that to determine the Distance between the point to be measured and the reference point in a given one Distance contrast values of the at least three optical paths of different lengths measured point and measured on previously determined contrast distribution at the end of a the optical paths are transformed.

Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass jeweils ein Sensor jedem der unterschiedlich langen optischen Wege zugeordnet wird. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass der von dem Punkt ausgehende Strahl in die unterschiedlich langen optischen Wege durch einem Sensor vor geschaltete optische Elemente aufgeteilt wird. Bei den optischen Elementen kann es sich um matrixförmig angeordnete Planplatten unterschiedlicher Dicken handeln, durch die der Strahl in Teilstrahlen unterschiedlicher Weglängen aufgeteilt wird.In particular, it is provided that one sensor each of the different lengths optical paths is assigned. Alternatively, there is a possibility that the point outgoing beam in the different optical paths through a sensor switched optical elements is divided. The optical elements can be Plan sheets of various thicknesses arranged in a matrix act through which the beam is divided into partial beams of different path lengths.

Ferner besteht die Möglichkeit, den Sensor in mehrere Messbereiche zur gleichzeitigen Abstandsmessung in verschiedene Bereiche des Objektes zu unterteilen. There is also the option of simultaneously measuring the sensor in several measuring ranges To divide distance measurement into different areas of the object.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die jeweilige Kontrastverteilung jeweils einer Parabel angepasst wird, wobei dessen Scheitelpunkt dem Kontrastwert entspricht, bei dem ein Punkt scharf auf der Arbeitsebene des Sensors abgebildet ist. Durch Bestimmung der Parabel und dessen Scheitelpunkt kann sodann die Optik zu dem Punkt eingestellt werden, damit der Punkt real scharf in der Arbeitsebene abgebildet wird. Die Kontrastverteilungen können zudem normiert werden.In particular, it is provided that the respective contrast distribution is in each case a parabola is adjusted, the vertex of which corresponds to the contrast value at which a point is clearly shown on the working plane of the sensor. By determining the parabola and whose apex can then be adjusted to the point so that the Point is shown really sharp in the working plane. The contrast distributions can also be standardized.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die den unterschiedlich langen optischen Wegen zugeordneten Kontrastverteilungen derart überlappend verlaufen, dass im Messbereich bei einem zu messenden Abstand Kontrastwerte von einer Mindestanzahl von Kontrastver teilungen bestimmt werden, die ausreicht, um die Kontrastverteilung für den Sensor bzw. den optischen Weg zur scharfen Abbildung des zu messenden Punkt über den ausgewählten optischen Weg auf den Sensor zu berechnen. Besteht die Möglichkeit, die unterschiedlich langen optischen Wege auf einen Sensor abzubilden, so können auch drei oder mehrere zum Messen von Kontrastwerten geeignete Sensoren so angeordnet werden, dass deren Arbeits ebenen in unterschiedlichen Positionen zur Messachse verlaufen.In a development of the invention it is provided that the different lengths of optical Because of the assigned contrast distributions, they overlap in such a way that in the measuring range for a distance to be measured, contrast values of a minimum number of contrast ver divisions are determined, which is sufficient to the contrast distribution for the sensor or optical path to sharp image of the point to be measured over the selected one optical path to calculate the sensor. There is a possibility that different to map long optical paths on a sensor, so three or more can Measuring contrast values suitable sensors are arranged so that their work planes run in different positions to the measuring axis.

Als Sensoren können Bildsensoren oder CCD- oder Mehrchipkameras verwendet werden.Image sensors or CCD or multi-chip cameras can be used as sensors.

Der bzw. die zur Messung der Kontrastwerte benutzten Sensoren können insbesondere in ein Koordinatenmessgerät integriert werden, um den Abstand in Z-Richtung zu messen. Auch besteht die Möglichkeit, den Sensor mit einem Lageregelkreis einer CNC-Steuerung zu koppeln, um ein Scannen einer zu messenden Oberfläche zu realisieren.The sensor or sensors used to measure the contrast values can, in particular, be in a Coordinate measuring device can be integrated to measure the distance in the Z direction. Also it is possible to use a position control loop to connect the sensor to a CNC control couple to scan a surface to be measured.

Erfindungsgemäß benutzt man die Kenntnis, dass die in unterschiedlichen Abständen zwi schen Messpunkt und Arbeitsebene eines Sensor gemessenen Kontrastwerte auf in etwa einer Parabel liegen, wobei der Kontrastwert im Scheitelpunkt dem optischen Abstand zwischen Arbeitsebene des Sensors und dem Punkt bei dessen scharfer Abbildung entspricht. Benutzt man mehrere Sensoren, die einen unterschiedlichen Abstand zu dem abzubildenden Punkt aufweisen und ermittelt die Kontrastwertkurven und normiert diese aufgrund der geome trischen Relation der Sensoren bzw. optischen Wege zueinander, so kann durch die Ermitt lung der in einem jeden Sensor gemessenen Kontrastwerte in einem vorgegebenen Abstand aufgrund der zuvor bekannten Relation der Kontrastwertkurven bzw. -parabeln zueinander die Kontrastwertkurve des Sensors berechnet werden, auf dessen Arbeitsebene der Punkt scharf abgebildet werden soll. Der zu messende Punkt liegt sodann in der Fokusebene der dem Sensor zugeordneten Optik. Nach Berechnung der entsprechenden Kontrastwertkurve bedarf es allein der Bestimmung des Scheitelpunktes, um sodann den einzustellenden Abstand zwischen Sensor und Messpunkt zu erhalten und gegebenenfalls einzustellen.According to the invention, use is made of the knowledge that the two at different intervals measuring point and working level of a sensor measured contrast values on approximately one Parabola, with the contrast value at the apex the optical distance between Working plane of the sensor and the point in whose sharp image corresponds. Used one has several sensors that are at different distances from the point to be imaged have and determines the contrast value curves and normalizes them based on the geome trical relation of the sensors or optical paths to each other, so through the determinations the contrast values measured in each sensor at a predetermined distance due to the previously known relation of the contrast value curves or parabolas to each other Contrast value curve of the sensor are calculated, on the working plane of which the point is sharp to be mapped. The point to be measured then lies in the focal plane of the Sensor-assigned optics. After calculating the corresponding contrast value curve it is only the determination of the vertex, and then the distance to be set between sensor and measuring point and adjust if necessary.

Ist es aus Gründen der Messgenauigkeit bzw. bei der gleichzeitigen Bestimmung von Geome trien in einer die Abstandsachse Z nicht enthaltende Ebene (XY-Ebene) erforderlich, dass auf der Arbeitsebene des ausgewählten Sensors als Bezugspunkt der Messpunkt scharf abgebildet wird, so ist es bei alleiniger Bestimmung des Abstandes grundsätzlich nicht erforderlich, dass die den Sensor bzw. die Sensoren umfassende Optik zu dem Objekt abstandsverändert wird, sofern die ermittelten Kontrastwerte in Messbereichen liegen, die eine Berechnung einer Kon trastwertkurve und damit des Abstandes des dieser zugeordneten Sensors zum Objekt ermöglicht. Es erfolgt demnach allein ein Verstellen in der XY-Ebene.Is it for the sake of measuring accuracy or when determining geomes at the same time? in a plane not containing the distance axis Z (XY plane) requires that the working point of the selected sensor as the reference point, the measuring point is sharply imaged If the distance is solely determined, it is generally not necessary that the optics comprising the sensor or sensors is changed in distance from the object, if the determined contrast values are in measuring ranges that calculate a con Trastwertkurve and thus the distance of the sensor assigned to the object enables. Accordingly, there is only an adjustment in the XY plane.

Auch wenn vorteilhafterweise jedem optischen Strahlengang ein gesonderter Sensor zu geordnet ist, so kann auch ein einziger Sensor sämtlichen Strahlengängen zugeordnet werden, wobei die unterschiedlich langen optischen Wege durch Vorschalten von geeigneten optischen Elementen wie matrixförmig angeordnete unterschiedlich dicke Planplatten realisiert werden.Even if a separate sensor is advantageously added to each optical beam path is ordered, a single sensor can also be assigned to all beam paths, the different lengths of optical paths by connecting suitable optical Elements such as plan plates of different thickness arranged in a matrix can be realized.

Optik und Sensor bzw. Sensoren selbst werden grundsätzlich als Einheit verstellt. Sofern die Optik als Zoomoptik ausgebildet ist, sind entsprechend der in Abhängigkeit von den Stellun gen der in der Optik integrierten Linsen notwendige Umrechnungsfaktoren zu berücksichti gen.Optics and sensors or sensors themselves are basically adjusted as a unit. If the Optics designed as zoom optics are in accordance with the position the conversion factors necessary for the lenses integrated in the optics gene.

Die Möglichkeit, einen optischen Strahlengang derart zu verlängern, dass sich drei unter schiedlich lange optische Wege ergeben, kann auch dadurch realisiert werden, dass der optische Strahl vor Eintreten in die Optik eine piezoelektrische Planplatte durchsetzt, die folglich in ihrer Dicke veränderbar ist und somit zeitlich nacheinander die Lichtstrahlenberei che unterschiedlicher Dicken durchläuft. Auch besteht die Möglichkeit, den Lichtstrahl eine rotierende Scheibe durchsetzen zu lassen, die mehrere Planscheiben unterschiedlicher Dicken aufweist. Mittels einer Fotodiode kann der Sensor extern getriggert werden.The possibility of extending an optical beam path in such a way that there are three under optical paths of different lengths can also be realized by the fact that the optical beam penetrates a piezoelectric plane plate before entering the optics consequently its thickness can be changed and thus the light beam area can be changed one after the other surface of different thicknesses. There is also the possibility of a light beam to let rotating disc prevail, the several face plates of different thicknesses having. The sensor can be triggered externally by means of a photodiode.

Ferner kann der Lichtstrahl auf einen Kippspiegel gelenkt werden, so dass der Strahlengang auf zumindest drei Sensoren wie Kameras geleitet wird, wobei der Abstand so zu wählen ist, dass die gewünschten unterschiedlich langen optischen Wege vorgegeben sind.Furthermore, the light beam can be directed onto a tilting mirror, so that the beam path is directed to at least three sensors such as cameras, the distance to be selected so that the desired optical paths of different lengths are specified.

Als weitere Alternative zur Realisierung der erfindungsgemäßen Lehre kann der Strahlengang ein Linsenpaket einer Zoom-Optik durchsetzen, um zu dem gleichen Ergebnis zu gelangen.The beam path can be used as a further alternative to realizing the teaching according to the invention enforce a lens package of a zoom optic to achieve the same result.

Auch besteht die Möglichkeit, zur Erzeugung unterschiedlich langer optischer Wege den von dem Punkt ausgehenden Strahl eine CCD-Schicht mit voneinander abweichenden Pixelbe reichen durchsetzen zu lassen.There is also the possibility of generating optical paths of different lengths a CCD layer with different pixelbe to get rich enforced.

Bei einem besonders hervorzuhebenden Vorschlag ist vorgesehen, dass die Kamera selbst auf einem Piezoelemente abgestützt ist, wodurch der Abstand der Kamera zur Erzielung der drei unterschiedlich langen optischen Wege in Bezug auf den zu messenden Punkt verändert werden kann.In a particularly noteworthy proposal, it is provided that the camera itself a piezo element is supported, whereby the distance of the camera to achieve the three optical paths of different lengths are changed in relation to the point to be measured can be.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.Further details, advantages and features of the invention result not only from the Claims, the features to be extracted from these - individually and / or in combination -, but also from the following description of one of the drawings preferred embodiment.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Sensoranordnung zur Bestimmung eines Ab standes eines Punktes und Fig. 1 is a schematic diagram of a sensor arrangement for determining a state from a point and

Fig. 2 prinzipielle Verläufe von Kontrastwertkurven ermittelt mit Sensoren der Fig. 1. FIG. 2 basic curves of contrast value curves determined with the sensors of FIG. 1.

Um den Abstand eines Punktes 10 eines Objektes 12 bzw. dessen Oberfläche zu einem Bezugspunkt wie im Ausführungsbeispiel zu einem Sensor 14 zu ermitteln, der Bestandteil eines Tastkopfes eines nicht näher erläuterten und dargestellten Koordinatenmessgerätes sein kann, nutzt man erfindungsgemäß die Kenntnis, dass die abstandsabhängigen Kontrastwerte, also der gesamte Kontrastwerteverlauf in etwa auf einer Parabel liegt. Verändert man folglich den Abstand des Sensors 14 zu dem zu messenden Punkt 10, so ergibt sich in Abhängigkeit der Abbildungsebene zur Arbeitsebene in dem Sensor 14 ein Kontrastwerteverlauf, der einer Parabel entspricht und in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 16 versehen ist. Hierzu wird in bekannter Weise der Strahlengang über ein Objektiv 18 auf die Arbeitsebene des Sensors 14 gelenkt. Erfindungsgemäß sind dem Sensor 14 zwei weitere Sensoren 20, 22 zugeordnet, die zu dem zu messenden Punkt 10 einen unterschiedlichen optischen Abstand aufweisen. Dies wird dadurch erreicht, dass der zu dem Sensor 14 führende Strahl 20 über Strahlungsteiler 22, 24 und Umlenkelemente wie Prismen 26, 28 aufgeteilt wird, um so zu den Sensoren 20, 22 zu gelangen, die ihrerseits in Bezug auf ihre Arbeitsebenen ebenfalls in unterschiedlichem Abstand zu dem Messpunkt 10 verlaufen können. Das Objektiv 18 mit den Umlenkeinrich tungen 22, 24, 26, 28 sowie den Sensoren 14, 20, 22 bildet eine Einheit und kann erwähn termaßen ein Tastkopf eines Koordinatenmessgerätes sein.In order to determine the distance of a point 10 of an object 12 or its surface from a reference point, as in the exemplary embodiment to a sensor 14 , which can be part of a probe of a coordinate measuring machine that is not explained and illustrated in more detail, the knowledge according to the invention is used that the distance-dependent contrast values , i.e. the entire contrast value curve lies approximately on a parabola. If the distance between the sensor 14 and the point 10 to be measured is consequently changed, then depending on the imaging plane to the working plane, a contrast value curve results in the sensor 14 , which corresponds to a parabola and is provided with the reference symbol 16 in FIG. 2. For this purpose, the beam path is directed in a known manner via an objective 18 onto the working plane of the sensor 14 . According to the invention, two further sensors 20 , 22 are assigned to the sensor 14 , which have a different optical distance from the point 10 to be measured. This is achieved in that the beam 20 leading to the sensor 14 is divided via radiation splitters 22 , 24 and deflection elements such as prisms 26 , 28 in order to arrive at the sensors 20 , 22 , which in turn also differ in their working planes Distance to the measuring point 10 can run. The lens 18 with the Umlenkeinrich lines 22 , 24 , 26 , 28 and the sensors 14 , 20 , 22 forms a unit and can be mentioned a probe of a coordinate measuring machine.

Um im Ausführungsbeispiel den Abstand zwischen dem Sensor 14, d. h. dessen Arbeitsebene zu einem zu messenden Punkt, im Ausführungsbeispiel dem Punkt 10 aus den Kontrastwerten zu bestimmen, die über die Sensoren 14, 20, 22 in einem vorgegebenen Abstand ermittelt werden, ohne dass der Punkt 10 in einer der Arbeitsebene der Sensoren 14, 20, 22 scharf abgebildet sein muss, wird zunächst der jeweils zu messende Kontrastwertverlauf in den Sensoren 14, 20, 22 bestimmt, so dass sich Messkurven ergeben, die der Fig. 2 zu entnehmen sind, also die Parabel 16 des Sensors 14 sowie aufgrund der im Vergleich zu dem Sensor 14 in unterschiedlichen optischen Abständen angeordneten Sensoren 20, 22 versetzt verlaufenden Parabeln 30, 32, wobei die Parabel 30 dem Sensor 22 und die Parabel 32 dem Sensor 20 zugeordnet ist. Dieser abstandsmäßige Versatz der Parabeln 16, 30, 32 ergibt sich aus dem Umstand, dass die Sensoren 14, 20, 22 unterschiedliche Scharfebenen aufweisen, die in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 34, 36 und 38 versehen sind. In order to determine the distance between the sensor 14 , ie its working plane to a point to be measured, in the exemplary embodiment the point 10 in the exemplary embodiment from the contrast values which are determined by the sensors 14 , 20 , 22 at a predetermined distance without the point 10 must be sharply imaged in one of the working planes of the sensors 14 , 20 , 22 , the contrast value curve to be measured in each case is first determined in the sensors 14 , 20 , 22 , so that measurement curves result which can be seen in FIG. 2, that is the parabola 16 of the sensor 14 and, because of the sensors 20 , 22 arranged at different optical distances from the sensor 14 , offset parabolas 30 , 32 , the parabola 30 being assigned to the sensor 22 and the parabola 32 to the sensor 20 . This spacing offset of the parabolas 16 , 30 , 32 results from the fact that the sensors 14 , 20 , 22 have different focus levels, which are given the reference numerals 34 , 36 and 38 in FIG. 1.

Ist folglich der Tastkopf, der die Sensoren 14, 20, 22 sowie die Optik umfasst, zu dem Punkt 10 derart verstellt, dass sich dieser in der Scharfebene 36 des Sensors 20 befindet, so ergibt sich ein Kontrastwert 40, der dem Scheitelpunkt der Parabel 32 entspricht. Entsprechendes gilt in Bezug auf die Einstellung des Tastkopfes zu den Scharfebenen 34 und 38 der Sensoren 14 und 22.Consequently, if the probe head, which includes the sensors 14 , 20 , 22 and the optics, is adjusted to the point 10 in such a way that it is located in the focal plane 36 of the sensor 20 , a contrast value 40 results, which is the vertex of the parabola 32 corresponds. The same applies in relation to the setting of the probe to the focus levels 34 and 38 of the sensors 14 and 22 .

Nachdem die Kontrastkurven 16, 30, 32 bestimmt und zueinander in Relation gesetzt sind, ist es nur noch erforderlich, in einem gewünschten Abstand des Tastkopfes zu einem zu messen den Punkt die jeweiligen Kontrastwerte der Sensoren 14, 20, 22 zu bestimmen, um aus diesen sodann unmittelbar den einem Abstand Z entsprechenden Scheitelpunkt des Sensors - im Ausführungsbeispiel des Sensors 14 - zu berechnen, bei dem der zu messende Punkt scharf auf die Arbeitsebene des Sensors 14 abgebildet wird. Dies wird anhand der Fig. 2 ver deutlicht. Werden im Abstand 21 die Kontrastwerte des in den Sensoren 14, 20, 22 abgebil deten Messpunktes 10 bestimmt, so ergeben sich Messwerte P1, P2 und P3, wobei P3 der Messwert des Sensors 14 ist. Der Messwert P1 entspricht dem Kontrastwert, der von dem Sensor 22, und der Messwert P3 dem Kontrastwert, der von dem Sensor 20 ermittelt worden ist. Da die Relation der Kontrastwertkurven 16, 30, 32 zueinander bekannt ist, ist es nur noch erforderlich, den Messwerten P1 und P3 Messwerte auf der Kontrastwertkurve 16 des Sensors 14 zuzuordnen, so dass sich insgesamt drei Messwerte P1', P2 und P3' ergeben, die auf der abgelegten Messwertkurve des Sensors 14 liegen. Aus diesen Werten lässt sich sodann der gesamte Messwerteverlauf und somit deren Scheitelpunkt P4 ermitteln, dem ein Abstand Z zugeordnet ist, bei dem der Messpunkt 10 scharf auf der Arbeitsebene des Sensors 14 abgebildet ist. Somit lässt sich der Z-Abstand zwischen Messpunkt und Tastkopf ermitteln, ohne dass es eines Verstellens des Tastkopfes selbst zu dem Objekt 12 bedarf, um für jeden Sensor 14, 20, 22 mehrere Kontrastwerte zu messen.After the contrast curves 16 , 30 , 32 have been determined and set in relation to one another, it is only necessary to determine the respective contrast values of the sensors 14 , 20 , 22 at a desired distance from the probe to the point in order to determine them then immediately calculate the vertex of the sensor corresponding to a distance Z - in the exemplary embodiment of sensor 14 - at which the point to be measured is imaged sharply on the working plane of sensor 14 . This is illustrated with reference to FIG. 2. If the contrast values of the measuring point 10 imaged in the sensors 14 , 20 , 22 are determined at a distance 21, the result is measured values P1, P2 and P3, where P3 is the measured value of the sensor 14 . The measured value P1 corresponds to the contrast value, which is from the sensor 22 , and the measured value P3 to the contrast value, which has been determined by the sensor 20 . Since the relation of the contrast value curves 16 , 30 , 32 to one another is known, it is only necessary to assign measured values on the contrast value curve 16 of the sensor 14 to the measured values P1 and P3, so that a total of three measured values P1 ', P2 and P3' result, which lie on the stored measured value curve of the sensor 14 . These values can then be used to determine the entire course of the measured values and thus their apex P4, to which a distance Z is assigned, at which the measuring point 10 is depicted sharply on the working plane of the sensor 14 . The Z distance between the measuring point and the probe can thus be determined without the need to adjust the probe itself to the object 12 in order to measure a plurality of contrast values for each sensor 14 , 20 , 22 .

Claims

1. A method for determining the distance of a point of an object from a predetermined reference point, such as a sensor, by measuring contrast values of the point imaged in the working plane of the sensor, in particular for the scanning profile determination of a material surface with a coordinate measuring machine, with a probe moving in relation to the object surface arranged optics comprising the sensor are adjusted to the object and the distance or its profile is determined from the position of the optics relative to the object, the contrast values of the imaged point being measured at the ends of at least two optical paths of different lengths in the imaging beam path of the optics, characterized in that in the imaging beam path of the optics at least three different optical paths of different lengths, contrast distributions of the radiation depending on the distance to the point of the object to be measured by means of at least one Sensor determined and the determined contrast distributions are related to each other and that to determine the distance between the point to be measured and the reference point at a predetermined distance contrast values of the at least three different optical paths of the imaged point measured and to previously determined contrast distribution at the end one of the optical paths can be transformed.

2. The method according to claim 1, characterized, that one sensor is assigned to each of the optical paths of different lengths becomes.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized, that the beam emanating from the point into the optical lengths of different lengths Paths through a sensor upstream optical elements is divided.

4. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that as an optical element arranged in the form of a matrix, planar plates Thicknesses can be used.

5. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that the sensor or its working field in several measuring ranges for simultaneous Distance measurement of different areas of the object is divided.

6. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that the respective contrast distribution of a parabola is adjusted, the apex point corresponds to a contrast value at which the point to be measured is sharp on the Working level of the corresponding sensor is mapped.

7. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that the contrast ratio assigned to the optical paths of different lengths Graduations overlap in such a way that in the measuring range of one to be measured Distance contrast values determined from a minimum number of contrast distributions be sufficient to the contrast distribution for the sensor or the optical Path to the sharp image of the point to be measured over the selected one optical path to calculate the sensor.

8. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that an image sensor or a multi-chip camera is used as the sensor.

9. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that the sensor with a position control loop of a CNC control for point by point scanning measuring a surface of the object is coupled.

10. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that to achieve different lengths of optical path from that of the point outgoing beam passes through a piezoelectric plate arranged upstream of a sensor.

11. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that the beam emanating from the point is on a rotating disc orderly face plates of different thicknesses.

12. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that the beam emanating from the point on a tilting mirror to at least three Sensors is directed.

13. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that the beam emanating from the point is a lens package of a zoom optic of the op table sensor penetrates.

14. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that the optical sensor to change the distance to the point on a piezo element arranged bracket is arranged.

15. The method according to at least one of the preceding claims, characterized, that the beam emanating from the point is a CCD layer with each other different pixel areas.