DE4325269A1

DE4325269A1 - Arrangement for determining the coordinates of the shape and position of structures, edges and moulded (shaped) elements

Info

Publication number: DE4325269A1
Application number: DE19934325269
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl Ing Priplata; Reiner Dr Ing Schmidt
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1993-07-28
Filing date: 1993-07-28
Publication date: 1995-02-02

Abstract

The invention relates to an arrangement for determining the coordinates of the position and the shape of structures, edges and moulded elements with the aid of photoelectric x-addressed and y-addressed CCD sensors 8 using transmitted and reflected light on coordinate measuring machines. The CCD sensors 8 are arranged on a sensor arrangement 7 onto which the structure 3 or edge, which are to be measured, can be imaged with the aid of an imaging optical system 6, and which is connected to an image signal processing unit 10. Of the totality of the CCD sensors 8 provided on the sensor arrangement 7, a subset of CCD sensors 12; 16; 17; 18; 19; 28 which form a plurality of closed linear geometric figures, is activated, for the purpose of scanning the structure 3 to be measured, in such a way that upon coinciding with the image 11; 22 of the structure 3 imaged on them these activated CCD sensors 12; 16; 17; 18; 19; 28 output an electric signal for further processing to the image signal processing unit 10. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur koordinatenmäßigen Ermittlung der Lage von Strukturen, Kanten und Formele menten nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches mit Hilfe fotoelektrischer x-, y-adressierter Sensoren im Durch- und Auflicht an Koordinatenmeßgeräten.The invention relates to an arrangement for coordinate Determination of the position of structures, edges and formulas elements according to the preamble of the first claim With the help of photoelectric x-, y-addressed sensors and incident light on coordinate measuring machines.

Zum koordinatenmäßigen Ermitteln von Strukturen mit Hilfe fotoelektrischer Sensoren im Durch- und Auflicht an Koordinatenmeßgeräten werden unter anderem die zu bestimmenden Strukturen punktuell angetastet. Je nach der aus Einzelmes sungen gewonnenen Menge von Meßdaten werden mittels geeigne ter mathematischer Algorithmen durch Rechner Verdichtungsope rationen durchgeführt, welche diese Strukturen, meist be kannte geometrische Elemente wie Geraden, Kreise und Ellip sen, mehr oder weniger gut beschrieben. In neuerer Zeit werden dazu zunehmend Sensoranordnungen verwendet, die aus rasterförmig in Zeilen und Spalten angeordneten Einzelele menten, sog. Pixeln, bestehen. Da Pixelgröße und -abstand und die koordinatenmäßige Lage eines jeden Pixels auf der Sensoranordnung bekannt sind, lassen sich die auf der Sensor anordnung abgebildeten Strukturen und Kanten mathematisch beschreiben und maßlich erfassen.For the co-ordinate determination of structures with the help Photoelectric sensors in transmitted and incident light on coordinate measuring machines among other things, the ones to be determined Structures touched selectively. Depending on that from individual measurements Solutions obtained amount of measurement data are by means of suitable ter of mathematical algorithms by computers rations carried out, which these structures, mostly be knew geometric elements such as straight lines, circles and ellipses sen, more or less well described. More recently sensor arrangements are increasingly being used, which consist of Individual elements arranged in a grid in rows and columns elements, so-called pixels, exist. Because pixel size and spacing and the coordinate location of each pixel on the Sensor arrangement are known, which can be on the sensor arrangement shown structures and edges mathematically describe and measure.

Aus der DE-OS 35 18 966 ist es bekannt, als x-, y-adressier ten Sensor eine Festkörperkamera mit Matrixanordnung der Sensorelemente in Verbindung mit einer Bildsignalverarbei tungseinheit zur Berechnung der Lage und Form einer Struktur zu verwenden. Dazu wird eine zu vermessende Strichkreuzmarke auf dem Sensor abgebildet. Zwei ausgewählte Spalten und Zeilen von Sensorelementen, die jeweils einen Abstand vonein ander aufweisen, bilden vier Schnittpunkte mit der Strich kreuzmarke. Aus den Koordinaten dieser Schnittpunkte wird die Lage und Form der Strichkreuzmarke in x- und y-Richtung und eventuell deren Verdrehung mit Hilfe der Bildsignalverarbei tungseinheit berechnet.From DE-OS 35 18 966 it is known as x, y address th sensor is a solid-state camera with a matrix arrangement of the Sensor elements in connection with an image signal processing unit for calculating the position and shape of a structure to use. For this purpose, a line cross mark to be measured mapped on the sensor. Two selected columns and Rows of sensor elements, each one apart have different, form four intersections with the dash cross mark. The coordinates of these intersections become the Position and shape of the crosshair mark in the x and y directions and possibly their rotation with the help of the image signal processing unit calculated.

Ein Nachteil des Verfahrens und dieser Anordnung der Sensor elemente besteht darin, daß bei der praktischen Anwendung bestenfalls die Gleichungen und die Lage zweier sich schnei dender Geraden und deren Schnittpunkt ermittelt werden können, da lediglich von einer Geraden an dem Schnittpunkt gegenüberliegenden Enden Schnittpunkte mit Sensorelementen auswertbar sind. Formelemente, wie z. B. Kreise, Gewindepro file, Zahnprofile oder zwei in einem Schnittpunkt endende Geraden sind nicht auswertbar. Selbst bei geringem Abstand der beiden Spalten und Zeilen könnten derartige Strukturen nicht vermessen werden.A disadvantage of the method and this arrangement of the sensors elements is that in practical use at best the equations and the location of two intersect straight line and its intersection can be determined, since only from a straight line at the intersection opposite ends intersection with sensor elements are evaluable. Form elements, such as. B. circles, thread pro file, tooth profiles or two ending in an intersection Lines cannot be evaluated. Even at a short distance the two columns and rows could have such structures cannot be measured.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur koordinatenmäßigen Ermittlung der Form und Lage von Strukturen, Kanten und Formelementen mit fotoelektrischen x-, y-adressierten Sensoren zu schaffen, mit welcher mit gerin gem gerätetechnischen Aufwand und mit hoher Genauigkeit sowohl im Durch- als auch im Auflicht die koordinatenmäßige Ermittlung der Form und der Lage von Strukturen und Kanten durchgeführt werden kann.The invention has for its object an arrangement for determining the shape and position of Structures, edges and shaped elements with photoelectric x-, to create y-addressed sensors, with which with gerin according to technical equipment and with high accuracy both in transmitted and reflected light, the coordinate Determination of the shape and position of structures and edges can be carried out.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Anordnung zur koordinatenmäßigen Ermittlung der Form und Lage von Struk turen, Kanten und Formelementen mit den Merkmalen des kenn zeichnenden Teils des ersten Patentanspruches gelöst. Wei tere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen näher beschrieben.According to the invention, this object is achieved with an arrangement coordinate determination of the shape and position of the structure tures, edges and form elements with the characteristics of the characteristic Drawing part of the first claim solved. Wei tere embodiments of the invention are in the further claims described in more detail.

Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt dadurch, daß stets mehr als zwei CCD-Sensoren zur Abtastung der auf der Sensor anordnung abgebildeten Struktur oder Kante benutzt werden, die Messung zusammengesetzter Linienzüge, z. B. Gewindepro file oder zweier sich in einem Punkt schneidender Geraden oder andere Kantenformen, wie Kreis- und Zahnprofile. Hierbei kommt es auf die Anzahl der an der Abtastung beteiligten aktivierten CCD-Sensoren an. Da die Position der CCD-Sensoren auf der Sensoranordnung koordinatenmäßig bekannt ist, kann aus der bekannten Position mit Hilfe der Bildsignalverarbei tungseinheit, die vorteilhaft mit einem Rechner gekoppelt ist, die zu messende Struktur oder Kante koordinatenmäßig berechnet werden. So kann z. B. aus den Positionen dreier CCD-Sensoren, welche beim Zusammentreffen mit dem Bild der Struktur oder Kante ein Signal liefern, ein Kreisprofil be stimmt werden. Aus vier Positionen ist die Lage zweier in einem Punkt zusammenstoßender Geraden und damit Winkel be stimmbar. Zur Bestimmung komplizierterer Kurvenformen können auch mehr als vier aktivierte CCD-Sensoren verwendet werden.The arrangement according to the invention allows that always more than two CCD sensors to scan the on the sensor arrangement shown structure or edge can be used, the measurement of composite lines, e.g. B. Thread pro file or two straight lines intersecting at a point or other edge shapes, such as circular and tooth profiles. Here it depends on the number of those involved in the scan activated CCD sensors. Because the position of the CCD sensors on the sensor arrangement is known in terms of coordinates, can from the known position with the help of the image signal processing tion unit, which is advantageously coupled to a computer is the structure or edge to be measured in terms of coordinates be calculated. So z. B. from the positions of three CCD sensors which, when encountering the image of the Structure or edge deliver a signal, be a circular profile be true. The position of two is from four positions a point of straight lines colliding and thus angles tunable. Can be used to determine more complicated curve shapes more than four activated CCD sensors can also be used.

Werden zur Messung aktivierte CCD-Sensoren der Sensoranord nung benutzt, die auf mindestens zwei konzentrischen Kreisen liegen, so erhält man mindestens vier Punkte mit bekannter koordinatenmäßiger Position, die mit der zu messenden Struktur, Kante oder mit dem Formelement zusammentreffen. Da die Position dieser Punkte bekannt ist, kann aus den von den betreffenden CCD-Sensoren an die Bildsignalverarbeitungsein heit gelieferten x-y-adressierten Signalen das zu messende Formelement nach Form und Lage bestimmt werden.If CCD sensors are activated for the measurement, the sensor arrangement used on at least two concentric circles lie, you get at least four points with known coordinate position with that to be measured Structure, edge or meet with the form element. There The position of these points is known from the relevant CCD sensors to the image signal processing delivered x-y addressed signals the one to be measured Form element can be determined by shape and location.

Vorteilhaft ist es, auf konzentrischen Kreisen liegende CCD- Sensoren für die Messungen zu verwenden, weil in diesem Falle der Abstand der Kreise leicht durch Auszählen der Sensoren zwischen den beiden Kreisen ermittelt werden kann. Auch sind die Mittelpunktkoordinaten der Kreise leicht be stimmbar. Die Anwendung von Kreisen ermöglicht in einfacher Weise eine richtungsunabhängige Messung, wodurch auch die Messung beliebig gerichteter Formelemente wesentlich verein facht wird. Durch Veränderung der Radien der Kreise lassen sich vorteilhafte Schnittbedingungen mit den zu messenden Strukturen und Kanten erzielen. So können auch kleine Gewin de- oder Zahnprofile mit geringen Meßzeiten vermessen wer den. Eine einfache Richtungserkennung erlaubt die Ableitung von Steuerbefehlen für eine selbsttätige Messung und trägt zur Erhöhung des Automatisierungsgrades der Meßprozesse bei.It is advantageous to use CCDs lying on concentric circles Sensors to use for measurements because in this If the distance between the circles is easy by counting the Sensors between the two circles can be determined. The center coordinates of the circles are also easy tunable. The use of circles allows in easier Way a direction-independent measurement, which also the Measurement of any directional shaped elements essentially combined is fold. Leave by changing the radii of the circles advantageous cutting conditions with the ones to be measured Achieve structures and edges. So even small wins who or to measure tooth profiles with short measuring times the. A simple direction detection allows the derivation of control commands for an automatic measurement and carries to increase the degree of automation of the measuring processes at.

Je nach Anwendungszweck können die aus den aktivierten CCD- Sensoren gebildeten geschlossenen linienförmigen Figuren auch Quadrate, Rechtecke, Ellipsen oder Dreiecke oder anderer geeignete Figuren sein. Sie können vorteilhaft auch jeweils konzentrisch sein. Auch können diese linienförmigen Figuren auf der Sensoranordnung auch in ihrer Größe und ihrer Position veränderbar sein.Depending on the application, the activated CCD Sensors formed closed linear figures also squares, rectangles, ellipses or triangles or others suitable figures. They can also be beneficial each time be concentric. These linear figures can also be used on the sensor arrangement also in their size and their Position can be changed.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigenThe invention is intended to be based on an exemplary embodiment are explained in more detail. Show in the drawing

Fig. 1 schematisch den optischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung, Fig. 1 shows schematically the optical structure of an arrangement according to the invention,

Fig. 2 eine Sensoranordnung mit mehreren Kreisen, Fig. 2 is a sensor array having a plurality of circles,

Fig. 3 eine Sensoranordnung mit konzentrischen Kreisen und Fig. 3 shows a sensor arrangement with concentric circles and

Fig. 4 eine Sensoranordnung mit drei konzentrischen Quadra ten. Fig. 4 is a sensor arrangement with three concentric Quadra th.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Anordnung zur Messung von Strukturen, Kanten und Formelementen umfaßt eine Licht quelle 1 und eine Beleuchtungsoptik 2 zur Beleuchtung einer zu messenden Struktur 3 oder Kante eines Meßobjektes 4, welches auf einem in Pfeilrichtung bewegbaren Meßtisch 5 eines Meßgerätes angeordnet ist. Durch eine in Lichtrich tung dem Meßtisch 5 nachgeordnete Abbildungsoptik 6 wird die anzutastende bzw. zu vermessende Struktur 3 in die Ebene einer fotoelektrischen Sensoranordnung 7 abgebildet, welche x-y-adressierte, in Zeilen und Spalten mit bekanntem gegenseitigen Abstand voneinander angeordnete fotoelektrische CCD-Sensoren 8 umfaßt. Diese Sensoranordnung 7 ist über eine elektrische Verbindung 9 mit einer Bildsignalverarbei tungseinheit (BVE) 10 oder einem entsprechenden Rechner ver bunden. Das Bild der zu vermessenden Struktur 3 ist in Fig. 1 mit 11 bezeichnet. Auf der Sensoranordnung 7 sind ferner zwei konzentrische Kreise 13 und 14 eingezeichnet, auf denen CCD- Sensoren 12 gesondert gekennzeichnet sind. Diese CCD-Senso ren 12 werden von dem Bild 11 der abgebildeten Struktur oder Kante überdeckt und sind derart aktiviert, daß sie ein elektrisches Signal an die BVE 10 zur Weiterverarbeitung liefern. Die Aktivierung der entsprechenden CCD-Sensoren erfolgt in bekannter Weise, so daß beim Zusammentreffen mit der auf sie abgebildeten Struktur oder Kante ein elektrisches Signal zur Weiterverarbeitung erzeugt wird. Aus den auf die sem Wege durch die aktivierten x-y-adressierten CCD-Sensoren (12) erzeugten Signalen werden durch die BVE 10 die Lage und/oder die Form der Struktur 3 berechnet.The arrangement shown schematically in Fig. 1 for the measurement of structures, edges and shaped elements comprises a light source 1 and an illumination optics 2 for illuminating a structure 3 to be measured or the edge of a measurement object 4 which is arranged on a measuring table 5 of a measuring device which can be moved in the direction of the arrow . By means of imaging optics 6 arranged downstream of the measuring table 5 in the light direction, the structure 3 to be probed or measured is imaged in the plane of a photoelectric sensor arrangement 7 , which includes xy-addressed photoelectric CCD sensors 8 arranged in rows and columns with a known mutual spacing from one another . This sensor arrangement 7 is connected via an electrical connection 9 to an image signal processing unit (BVE) 10 or a corresponding computer. The image of the structure 3 to be measured is designated 11 in FIG. 1. Furthermore, two concentric circles 13 and 14 are shown on the sensor arrangement 7 , on which CCD sensors 12 are identified separately. These CCD sensors 12 are covered by the image 11 of the structure or edge shown and are activated in such a way that they deliver an electrical signal to the BVE 10 for further processing. The corresponding CCD sensors are activated in a known manner, so that an electrical signal for further processing is generated when they meet the structure or edge imaged on them. The BVE 10 calculates the position and / or the shape of the structure 3 from the signals generated in this way by the activated xy-addressed CCD sensors ( 12 ).

Wie in Fig. 2 dargestellt, ist es nicht erforderlich, daß die aktivierten CCD-Sensoren 12 auf geschlossenen konzentri schen Linienzügen 15 vorgesehen sind, um das Bild 11 einer Struktur 3 auswerten zu können.As shown in Fig. 2, it is not necessary that the activated CCD sensors 12 are provided on closed concentric lines 15 in order to evaluate the image 11 of a structure 3 can.

Fig. 3 zeigt beispielsweise eine Sensoranordnung 7 mit CCD- Sensoren 8, bei welcher die aktivierten CCD-Sensoren 16, 17, 18, 19 auf zwei konzentrischen Kreisen 20 und 21 gelegen sind. Abgebildet ist auf diese Sensoranordnung 7 eine Struk tur 22, die durch zwei Geraden 23 und 24 begrenzt ist, welche in einem Punkt P zusammenlaufen. Aus den Signalen der CCD- Sensoren 16 und 17 ist die Lage der Gerade 23 berechenbar und aus den Signalen, die von den CCD-Sensoren 18 und 19 gelie fert werden, bestimmt sich die Lage der Gerade 24. Mit Hilfe aller vier von den CCD-Sensoren 16, 17, 18 und 19 der BVE 10 zugeführten elektrischen Signale können die Koordinaten des Punktes P und auch der Schnittwinkel der Geraden 23 und 24 berechnet werden. Auf diese Weise ist auch z. B. ein Gewinde profil bestimmbar. Fig. 3 shows, for example, a sensor arrangement 7, with CCD sensors 8, wherein the activated CCD sensors 16, 17, 18, 19 concentric on two circles 20 and are located 21st Shown on this sensor arrangement 7 is a structure 22 which is delimited by two straight lines 23 and 24 which converge at a point P. The position of the straight line 23 can be calculated from the signals of the CCD sensors 16 and 17 , and the position of the straight line 24 is determined from the signals supplied by the CCD sensors 18 and 19 . With the help of all four electrical signals supplied by the CCD sensors 16 , 17 , 18 and 19 of the BVE 10 , the coordinates of the point P and also the intersection angle of the straight lines 23 and 24 can be calculated. In this way, z. B. a thread profile can be determined.

Auf der Sensoranordnung nach Fig. 4 sind auf drei konzentri schen Quadraten 25, 26 und 27 gelegene CCD-Sensoren 28 derart aktiviert, daß sie beim Zusammentreffen mit dem zu vermessenden Bild 29 der Struktur 3 Signale an die BYE 10 liefern, aus denen die Form und die Lage der Struktur 3 errechenbar ist.In the sensor assembly of FIG. 4, 26 and 27 located CCD sensors are located on three concentric rule squares 25, 28 is activated such that it 3 signals provide at the meeting with the to be measured image 29 of the structure to the BYE 10 from which the mold and the position of the structure 3 can be calculated.

Je nach Größe und Form der zu vermessenden Struktur sind auch die Größe und Lage der geschlossenen Linienzüge, auf denen die aktivierten CCD-Sensoren vorgesehen sind, verän derbar, desgleichen auch die Anzahl der aktivierten CCD- Sensoren auf der Sensoranordnung. So ist z. B. aus den elek trischen Signalen dreier aktivierter CCD-Sensoren ein Kreis eindeutig bestimmbar. Vier CCD-Sensoren werden benötigt zur Berechnung zweier sich schneidender Geraden; fünf Sensoren zur Bestimmung einer Ellipse. Für andere zu bestimmen de geometrische Figuren kann die Anzahl der aktivierten CCD- Sensoren auch größer sein.Depending on the size and shape of the structure to be measured also the size and position of the closed lines which the activated CCD sensors are intended to change changeable, as well as the number of activated CCD Sensors on the sensor array. So z. B. from the elec signals from three activated CCD sensors form a circle clearly determinable. Four CCD sensors are required for the Calculation of two intersecting lines; five sensors to determine an ellipse. To be determined for others de geometric figures, the number of activated CCD Sensors may also be larger.

Claims

1. Arrangement for determining the shape and position of structures, edges and shaped elements, comprising a photoelectric sensor arrangement with xy-addressed CCD sensors arranged in rows and columns with a known mutual distance from one another
and an imaging optical system which images the structure or edge to be measured onto the sensor arrangement, the sensor arrangement being electrically connected to an image signal processing unit for calculating the shape and / or the position of the structure or edge ,
that from the total amount of the CCD sensors ( 8 ) provided on the sensor arrangement ( 7 ) a subset of CCD sensors ( 12 ; 16 ; 17 ; 18 ; 19 ; 28 ), which form several closed linear geometrical figures for scanning the measuring structure ( 3 ) or edge are activated such that these activated CCD sensors ( 12 ; 16 ; 17 ; 18 ; 19 ; 28 ) when they meet the image ( 11 ; 22 ) of the structure ( 3 ) imaged on them or edge an electrical signal can be derived for further processing to the image signal processing unit ( 10 ).

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that from the total amount of the sensor arrangement ( 7 ) form the CCD sensors ( 8 ), the CCD sensors ( 12 ; 16 ; 17 ; 18 ; 19 ; 28 ) are activated for scanning the structure ( 3 ) or edge to be measured.

3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the linear figures on the sensor arrangement ( 7 ) are concentric circles ( 13 ; 14 ; 20 ; 21 ), ellipses, squares ( 25 ; 26 ; 27 ), rectangles or triangles.

4. Arrangement according to claim 1 and 3, characterized in that the linear figures on the sensor arrangement ( 7 ) are variable in size and position.