WO2015176888A1 - Verbessertes autofokusverfahren für ein koordinatenmessgerät - Google Patents

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WO2015176888A1
WO2015176888A1 PCT/EP2015/058444 EP2015058444W WO2015176888A1 WO 2015176888 A1 WO2015176888 A1 WO 2015176888A1 EP 2015058444 W EP2015058444 W EP 2015058444W WO 2015176888 A1 WO2015176888 A1 WO 2015176888A1
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WO
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distance
interval length
image
focus
optical sensor
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/058444
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Inventor
Christian FIEKERS
Original Assignee
Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh
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Publication date
Application filed by Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh filed Critical Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh
Publication of WO2015176888A1 publication Critical patent/WO2015176888A1/de
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
    • G01B11/005—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/28—Systems for automatic generation of focusing signals

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining a focused image distance of an optical sensor of a coordinate measuring machine onto a workpiece to be measured, wherein the optical sensor and the workpiece are movable relative to each other in a Z-direction so that a distance in the Z direction between the workpiece and the optical sensor is changeable, with the following steps:
  • the present invention relates to a coordinate measuring machine with an optical sensor and a control device for focusing the optical sensor.
  • a coordinate measuring machine with an optical sensor and a control device for focusing the optical sensor.
  • Such a method and such a device are known for example from the document DE 10 2007 039 981 A1.
  • a method and such a device from the document DE 10 201 1 1 16 734 A1 are known.
  • Coordinate measuring machines are well known in the art. They are used, for example, to check workpieces as part of a quality assurance or to determine the geometry of a workpiece completely within the framework of a so-called "reverse engineering". In addition, a variety of other applications are conceivable.
  • various types of sensors can be used to detect the coordinates of a workpiece to be measured.
  • tactile measuring sensors are known for this purpose, as sold for example by the applicant under the product name "VAST XT" or "VAST XXT".
  • VAST XT the surface of the workpiece to be measured is touched with a stylus whose coordinates are constantly known in the measuring room.
  • Such a stylus can also be moved along the surface of a workpiece, so that in such a measuring process, a plurality of measuring points can be detected at fixed time intervals as part of a so-called “scanning method".
  • optical sensors that allow a contactless detection of the coordinates of a workpiece.
  • An example of such an optical sensor is the optical sensor sold under the product name "ViScan" by the Applicant.
  • the sensors can then be used in various types of measurement setups.
  • An example of such a measurement setup is the product "O-INSPECT" of the applicant.
  • O-INSPECT optical sensor
  • tactile sensor are used to perform various inspection tasks on a machine, and ideally with a single setup of one to be measured Perform workpiece. In this way, you can easily carry out all test tasks, for example in medical technology, plastics engineering, electronics and precision mechanics. Of course, various other structures are also conceivable beyond.
  • the measured workpiece is clamped on a table.
  • the table forms an XY plane. Perpendicular to this plane, ie in the Z direction of a Cartesian coordinate system, the optical sensor is spaced from the workpiece to be measured. Depending on the workpiece to be measured and the relative position of the optical sensor and the table to each other, the optical sensor to focus on the workpiece to be measured. As a rule, a focus in the Z direction is valid for all XY positions of the table.
  • the focusing is carried out automatically by the coordinate measuring device. This is known to be such that a user first manually moves the optical sensor to a position or a distance to the workpiece to be measured, in which he expects about a maximum sharpness or focus on the workpiece. He then specifies a search range in the form of a length specification or a distance in the Z direction in which to search for the maximum sharpness or best focus.
  • the camera is then further removed by half of the predetermined search range of the workpiece to be measured and then moves at a very slow speed to the end of the search range to the workpiece.
  • a so-called focus value of a certain area of the interrogated image is then determined and the position or the distance to the workpiece to be measured, in which the image request was sent, stored together with the focus value.
  • a so-called focus value curve can be applied.
  • the coordination The measuring meter is then able to determine an extreme value of this curve.
  • the distance associated with the extreme value then represents the distance in which the maximum sharpness or the best focus of the optical sensor is present, and the optical sensor is set at this distance to the workpiece to be measured.
  • a variety of methods which can determine a focus value. For example, an area of the images can be selected for the evaluation, in which an edge of a workpiece to be measured is located. In this area is then a very abrupt transition of color or light-dark transition.
  • a focus value may then be, for example, the maximum gradient of the gray level values of the image perpendicular to the edge. The sharper an image is set, the higher the gradient will be, since ideally there will be an abrupt transition from light to dark from one pixel to the next. The blurrier the image is set, the more continuous the light-dark transition and the lower the gradient.
  • many other options for determining a focus value are also conceivable and known.
  • DE 10 2007 039 981 A1 proposes to "fit in" the determined focus values with a function in a certain range of the focus value curve and then to evaluate this curve.
  • publications 10 2005 009 554 A1 and WO 2006/125466 A1 show various proposals for determining focus values of recorded image stacks.
  • the publication WO 2014/023780 A1 shows a coordinate measuring machine with a workpiece holder for receiving a measurement object and a measuring head, which is movable relative to the workpiece holder.
  • the measuring head carries an optical sensor.
  • An evaluation and control unit is designed to determine spatial coordinates on the measured object as a function of a position of the measuring head relative to the workpiece holder and in dependence on sensor data of the optical sensor.
  • the optical sensor includes a lens and a camera.
  • the lens has an aperture and at least four separate lens groups, three of which are individually slidable along the optical axis of the lens.
  • a first lens group is arranged fixed in the region of the light inlet opening of the lens.
  • a coordinate measuring machine with such a lens allows the variation of magnification, focusing, resolution, etc. over a wide range of applications.
  • Such sensors are characterized in particular by the fact that they can work in many different working distances between the optical sensor and the workpiece. In addition, they are able to work with different, arbitrarily selected magnifications. This also makes it possible, among other things, to easily measure workpieces with relatively large height differences. At the same time, it follows that the area of space in which a plane of best focus can be located generally becomes relatively large. It is harder for a user to estimate in advance where the best focus will be. This makes it necessary to set an initial "catching area" relatively large to make sure to find the best focus level within that catching area, the catching area being the area where a search for the best focus level is started.
  • the relative movement between the optical sensor and changing the distance can be done by the optical sensor is held and a table on which the workpiece is arranged, is moved in the Z direction.
  • the Z-direction is perpendicular to the table or the workpiece. A distance between the optical sensor and the workpiece in the Z direction thus reflects the distance between the optical sensor and the workpiece.
  • the table or the workpiece is fixed and the optical sensor is moved.
  • both the optical sensor and the workpiece are moved. It is only important to vary the distance, that is, the distance between the optical sensor and the workpiece in the Z direction.
  • magnification means the usual meaning in optics, namely the relationship between the size of the image and the true size of an object.
  • the axial magnification that is to say the magnification along the optical axis
  • magnification is furthermore relevant since it influences the depth of field. Since this is strictly defined only in the paraxial area, ie the near-axis optical space, is generally spoken of the "magnification".
  • the presented solution is based on initially determining a minimum interval length depending on a depth of field of the objective in which a best focus value or the position of the best focus plane can be determined with even the highest accuracy.
  • This minimum interval length is basically very short, so that it can be traversed relatively slowly in order to record a relatively high number of images within the minimum interval length and to determine the position of the focus image distance, ie the plane of the best-focused image.
  • This minimum interval length can thus be traversed relatively slowly and, in other words, with high resolution, ie with a small distance between the planes of two adjacent images of an image stack. This does not apply to the catch area defined at the beginning.
  • the interval length of the capture area is very large. In order to keep the speed of the entire process high, it has to be traversed very quickly, as a result of which only relatively few images can be recorded per route, and the determination of the best focus value is thus still relatively inaccurate.
  • An “interval length” always denotes the distance to be covered between a starting distance and a final distance.
  • the proposed method now combines the capture range with the minimum interval length such that the interval interval to be traversed is gradually reduced from the capture range to the minimum interval length.
  • the proposed method makes sure that the next smallest interval length is always positioned and selected in size so that the actual level of the sharpest image remains within the interval length.
  • the interval lengths are determined in advance from the minimum interval length, as will be described in more detail below. Starting from an intermediate result, namely the position of the image plane with the best focus value or the plane of the sharpest image for a specific interval length, the position of this plane is determined as the center point for the next-smaller interval length.
  • the number of images to be recorded over an interval length is chosen to be constant. It then follows that, starting from the capture region with a relatively small number of images and high velocity and thus low resolution and accuracy, the resolution and accuracy increases successively with decreasing interval lengths. As the interval lengths decrease, the necessary time periods do not become significantly greater despite possibly decreasing speeds. Since a respective next smaller interval length with its center is always positioned at the level of the sharpest image found within the next larger interval length, it can be ensured that a next smaller interval length always contains the actual plane of the sharpest image, and one moves this level successively with always Increasing accuracy. With high resistance and an arbitrarily large selected capture range so reproducibility can be achieved in a range of less than 3 ⁇ .
  • Typical examples of constraints may be to record about 20 images per interval length in an optical sensor capable of recording about 30 frames per second as a repetition rate.
  • a three to fourfold depth of field can be selected, for example, this can then be approximately in a range of 40 ⁇ as minimum interval length.
  • the size of a scaling factor for determining a grading of the interval lengths can then be approximately 6.67, which results from the division of the number of images per interval length, namely 20, by a target width, for example also expressed in number of pictures, namely 3, in which one can assume the position of the actual plane of the sharpest picture.
  • the magnitude of the depth of field dependent on the wavelength of the light is calculated from the set magnification and a numerical aperture of the objective, both of which are known.
  • the equations used to calculate this depth of field are explained in more detail below.
  • the object-side numerical aperture can first be determined from a known image-side numerical aperture and the magnification and then the depth of field based on a reference wavelength.
  • the length is understood, which can move the optical sensor in the direction of the optical axis, in which the determined image but still gives the approximately the same sharper impression.
  • the minimum interval length can be set at twice or three times the depth of field. Starting from this minimum interval length, the length of the next larger interval can then be determined by scaling with a scaling factor. With regard to the determination of the scaling factor, the following is also explained in more detail.
  • the scaling factor is always greater than 1 and depends on the number of images acquired per interval length and a value for a target area, ie, for example, the number of sections of an interval length in which the plane of the sharpest image can actually be assumed.
  • the length of the capture range always specifies the length of the maximum interval length, that is, the interval length that is passed first. If an interval length is thus longer than that of the capture region, this would be discarded and replaced by the capture region, and the determination of the interval lengths would then be aborted at this point.
  • the interval lengths are then all determined and can, starting with the maximum interval length, successively, so to speak "backwards", including the minimum interval length.
  • the corresponding distance of this image is then first determined as the position of the plane of the sharpest image and forms the center for the next smaller interval, so that a new start distance and a new end distance can be determined. Then, starting from the currently determined plane of the sharpest image, half of the next smaller interval length lies in the positive Z direction, that is to say away from the workpiece, and half the next smaller interval length in the negative Z direction, ie in the direction of the workpiece. Then this area is traversed and determined in this next smaller interval, the required number of images, then again determines the level of the sharpest image and, starting from this again the next smaller interval length positioned so that you get a new starting distance and a new end distance, etc. This is continued until the minimum interval length has been passed through and the determined plane of the sharpest image finally forms the result for the method.
  • a computer program product is further provided with a computer program having program code means for performing a method according to the first aspect of the invention, when the computer program on a coordinate measuring machine or a data processing device of a coordinate measuring machine, in particular as external Unit may be connected to the coordinate measuring machine, or a control device of a coordinate measuring machine is executed.
  • the coordinate measuring machine according to the second aspect of the invention and the computer program product according to the third aspect of the invention have the same advantages as the method according to the first aspect of the invention.
  • the interval length in each case an equal number of equal sections is divided and an image is detected in each section, in particular so that the number of acquired images over each interval length identical is.
  • the number of images to be acquired can also be chosen differently, in particular in a range of 5 to 250 images, preferably 10 to 50 images, more preferably 20 to 30 images.
  • the correspondingly large interval length can be traversed. This is also completely sufficient, since at first only a rough determination of the position of the plane of the greatest image sharpness has to be made. The resulting resolution of image acquisition over the interval length can therefore be very low.
  • the minimum interval length in step b) according to where Z ⁇ is the minimum interval length, a is a factor, and DOF is a depth of field of the lens.
  • Z ⁇ is the minimum interval length
  • a is a factor
  • DOF is a depth of field of the lens.
  • factor a is in a range 1 ⁇ a ⁇ 5, preferably in a range 2 ⁇ a ⁇ 4, more preferably is 3.
  • the lens is a double-sided telecentric zoom lens.
  • Such a lens allows not only working with different magnifications, but also due to the two-sided telecentric accurate detection over a wide range of working distances.
  • the depth of field of the object according to where DOF is the depth of field of the objective, V is the magnification of the objective, in particular an axial magnification, NA is the image-side numerical aperture at the magnification, and A is a reference wavelength.
  • DOF the depth of field of the objective
  • V the magnification of the objective, in particular an axial magnification
  • NA the image-side numerical aperture at the magnification
  • A a reference wavelength.
  • object-side aperture image-side numerical aperture ⁇ magnification.
  • image-side numerical aperture of a fixed reference wavelength which can be set in particular for 550 nm
  • the depth of field can thus be determined only as a function of the set magnification V and from this again the minimum interval length. This allows a simple and fast determination of the minimum interval length.
  • the depth of field and / or the minimum interval length can thus be determined systematically immediately when specifying a specific magnification and maintained for further use.
  • the reference wavelength is in a range 400nm ⁇ ⁇ 650nm, preferably 550 nm.
  • the reference wavelength should be within the spectral range of the light sources of the coordinate measuring machine.
  • a wavelength of 550 nm is basically approximately in the middle of the human visible spectral range, in particular the spectral range between 380 nm and 780 nm, and may thus be preferred for corresponding light sources. But if, for example, monochromatic light sources are used, in particular laser light sources, then it can be provided to use the corresponding wavelength of the light sources as the reference wavelength.
  • each interval length is divided into in each case an equal number of equal sections and in each section an image is detected, and wherein the scaling factor depends on the number of equal sections and a further section number is determined, in particular wherein the further number of sections represents a presumed target width, within which the focus-image distance takes an extreme value.
  • the scaling factor can be formed.
  • the scaling factor is in particular greater than 1.
  • the "further number of sections representing a presumed target area” indicates to what extent the result found in a larger interval length is trivialized in that this area also contains the actual level of the best image sharpness.
  • setting the target width to 3 would roughly mean assuming that the plane with the actual best focus is either directly in the section where the captured sharpest image is located, or in an adjacent section.
  • this size also coincides with the number of images to be acquired per interval length, since the number of equally sized portions corresponds to the number of images to be acquired.
  • SF ZB where SF is the scaling factor, AA is the number of equally sized sections of an interval range, and ZB is the remaining section number, where AA is greater than ZB.
  • the scaling factor is thus formed as a quotient of the number of equally sized sections, in other words also the number of images to be recorded per interval length, if this is fixed constant for all interval lengths, and the target area.
  • the target area is also expressed in a number of sections.
  • This formula also clearly shows the above-mentioned effects of fixing the two parameters. Setting the number of sections or the number of images to be acquired per interval length very high results in a relatively large scaling factor, which results in a small number of total interval lengths to be traversed. This is because then, by means of the relatively large scaling factor, the minimum interval length is scaled relatively fast to or beyond the capture range.
  • the specified ranges for the target areas can also be selected independently of the corresponding area specification for the number of sections of an interval length. It has been shown that particularly good results can be achieved with these selection ranges for coordinate measuring machines with optical sensors and standard working distances between 40 and 280 mm.
  • a speed with which the distance between the workpiece and the optical sensor is changed in each case when step d) is executed depends on a respective interval length, a number within the interval length images to be recorded and a maximum frame rate of the optical sensor is determined, in particular according to
  • AA is determined, where v is the speed, L is the respective interval length, W d ⁇ e refresh rate, and AA is the number of images to be captured within the interval length.
  • step e) the image distance of that image is determined directly as focus-image distance, in which the focus value occupies an extreme value.
  • step e the image distance of the image having the best focus value, as a focus-image distance and thus provides the center of the positioning of the next smaller interval length.
  • the focus-image distance in step e) is determined by an interpolation between two image distances by approximating a curve connecting the focus values by means of a polynomial and determining an extreme value of the polynomial in which an image distance assigned to the extreme value and determined by interpolation, in particular linear interpolation, is determined as focus image distance.
  • each interval length is traversed from the starting distance to the final distance.
  • each interval length is completely traversed.
  • step d) the change in the distance is interrupted if the focus values of the acquired images become smaller at least twice in succession, in particular three times in succession.
  • the ride can be interrupted and already determined on the basis of the determined level of the sharpest image, the position of the next smaller interval length and these are traversed. This can additionally speed up the process.
  • step d) takes place such that the changing of the distance between the workpiece and the optical sensor takes place alternately to the workpiece and away from the workpiece.
  • the time duration for performing the method can in turn be minimized because between the individual interval lengths only a small distance between an end distance of a previous interval length to a starting distance of a next smaller interval length is covered.
  • 1 is a schematic view of an embodiment of a coordinate measuring device
  • FIG. 2b shows the focusing conditions when taking the image in FIG. 2a
  • 2c is a schematic view for explaining a focus value curve
  • Fig. 5 are schematic representations for explaining further embodiments of the method.
  • FIG. 1 shows a coordinate measuring machine 10.
  • the coordinate measuring machine 10 is used to measure a workpiece 12.
  • the coordinate measuring machine 10 has an optical sensor 14.
  • other sensors may be provided, such as tactile sensors, which are not shown in the present schematic view.
  • the workpiece 12 to be measured is arranged, for example, on a table or a base plate 16.
  • the table or base is aligned in an XY plane of a coordinate system 18.
  • Extending perpendicularly to the table 16 is a Z-direction 20.
  • a distance between the optical sensor 14 and the workpiece 12 in the Z-direction 20 is designated by a reference numeral 22.
  • the optical sensor 14 and the table 16 or the workpiece 12 are movable relative to each other. In this way, the distance 22 can be changed.
  • the table 16 is movable at least in a Z-direction, or that the optical sensor 14, for example by means of a suitable mechanism 24, is movable in the Z-direction.
  • the mechanism 24 may also be, for example, a gantry structure or the like.
  • the coordinate measuring device does not necessarily have to have a table structure. Of course, it can also be provided that both the optical sensor 14 and the table 16 are movable in the Z direction.
  • the coordinate measuring machine 10 has a control device 26.
  • the control device 26 is capable of moving the optical sensor 14 at a distance 22 relative to the workpiece 12 in such a way that the images recorded by means of the optical sensor 14 have a maximum sharpness.
  • an autofocusing function of the coordinate measuring machine 10 can be triggered.
  • the coordinate measuring machine 10 has a data processing device 28, which is set up in such a way that it makes a request for images of the optical sensor 14 and their evaluation and, based on these results, outputs a position of the optical sensor 14 in which a focusing of the optical sensor 14 is arranged on the workpiece 12. This is then adjusted by the control device 26.
  • the control device 26 and the data processing device 28 may also be a single unit or a single element, the data processing device 28 and the control device 26 are shown as separate units for illustrative purposes only.
  • the coordinate measuring machine 10 may have an input device 30. With this, a user can enter, for example, desired search areas in the coordinate measuring machine 10 or manually move the optical sensor 14 and thus manually adjust a distance 22 between the optical sensor 14 and the workpiece 12.
  • a user sets the optical sensor 14 approximately in the vicinity of an expected focus distance 32. Starting from this expected focused distance, a start distance 34 and an end distance 36 are defined defining a capture region 38 therebetween.
  • the starting distance 34 has a greater distance 22 from the workpiece 12 than the end distance 36.
  • this can also be chosen vice versa.
  • the starting distance 34 is set at a maximum possible distance 22 between the optical sensor 14 and the workpiece 12 and the end distance 36 is set at a minimum possible distance 22 between the optical sensor 14 and the workpiece 12 is determined.
  • FIG. 2a shows an example of an image taken by the optical sensor 14 during a focusing operation.
  • FIG. 2b shows the recording conditions during the recording of the image shown in FIG. 2a.
  • a light-dark transition over an edge 40 is used as a focus value, which is visible in the image distance of the workpiece 12.
  • AOI Expo Of Interest
  • the edge 40 extends horizontally through the image.
  • a gray scale gradient in the vertical direction that is to say perpendicular to the edge 40, within the AOI 42 can be used to form the focus value.
  • the optical sensor 14 is adjusted during the recording at a certain distance 22 to the workpiece 12. By way of example, provision may be made for a surface of the workpiece 12 facing the optical sensor 14 to be examined.
  • the optical sensor 14 has an objective 44, which must be set up and arranged for optimal focusing in such a way that a tip 46 of a focus cone is arranged on the surface of the workpiece 12 to be viewed.
  • the focus cone is slightly within the workpiece 12, that is, the distance 22 is slightly too small.
  • a depth of field is designated 47 from the tip 46 of the focus cone.
  • the image shown in Fig. 2a is slightly out of focus, that is, a light-dark transition over the edge 40 has a relatively flat gradient.
  • the focus cone 46 would be located on the workpiece 12. The light-dark transition would then be more abrupt within the AOI 42 and the gradient correspondingly higher, so that a higher focus value would arise.
  • the focus value in the illustrated example is selected such that a larger focus value reflects a better focus, a maximum focus value thus represents a maximum sharpness and thus optimum focusing of the optical sensor 14 on the workpiece 12.
  • a maximum focus value can also be used alone or in combinations; in addition, it may also be possible for a maximum focus value to have a maximum sharpness or
  • FIG. 2c shows schematically how a focus value curve results from a recorded image stack.
  • images 48 are taken.
  • the number of pictures can basically vary. Among other things, it depends on the components used, in particular the camera, on the size of the search range or the interval length and the speed with which it traverses the search area. Furthermore, it can be provided that a number of the images to be recorded is specified. For example, a number of 20 can be specified as the value.
  • an image stack of a plurality of images 48 is generated.
  • Each image 48 is assigned an image distance 50 which indicates in which image distance 50 relative to the workpiece the respective image 48 has been recorded.
  • a focus value 52 is determined for each image 48.
  • the image distances 50 and the respective focus values 52 thus result in a set of points which, when connected, reproduce a focus value curve 54.
  • the focus value curve 54 thus extends over the entire traced search area 38.
  • the focus value curve 54 has an extreme value 56.
  • the focus-image distance 58 associated with this extreme value 56 is consequently the distance which, according to the evaluation, indicates the best possible focusing of the optical sensor 14 on the workpiece 12 with the maximum sharpness of the image 48 then captured.
  • a distance 59 between the starting distance 34 and the end distance 36 is plotted.
  • the distance 59 is divided into two equal-length sections 59; From the user-initially set expected focused distance 32, the start distance 34 and the end distance 36 are determined to extend opposite each other starting from the expected focused distance 32 at the distance 59 ', respectively.
  • the starting distance 34 is farther from the workpiece than the end distance 36. However, this can of course also be chosen vice versa.
  • FIG. 2c illustrates how an interval length between a start distance 34 and an end distance 36 is subdivided into a plurality of sections 51, in each of which an image 48 is recorded.
  • the number of sections thus corresponds to the number of pictures. In each section a picture is taken.
  • FIG. 3 shows a schematic flowchart of a method 100 according to one embodiment.
  • the capture region 38 with the starting distance 34 and the final distance 36 is first determined in a step 102. Between the starting distance 34 and the end distance 36, the minimum interval length is arranged. Then, in a step 104, a minimum interval length is determined depending on a depth of field of the lens. As merely exemplary value may be about the Depth of field at 13 ⁇ lie, for example, the minimum interval is then about 40 ⁇ .
  • a step 106 at least one further interval length is determined starting from the minimum interval length, wherein, starting from the minimum interval length 60, a next larger interval length is determined by multiplying by a scaling factor, until the next larger interval length is equal to or greater than the minimum interval length is.
  • the minimum interval length 60 is multiplied by the scaling factor, and one obtains another interval length.
  • a query is thus made as to whether the particular further interval length is equal to or greater than the minimum interval length; if not, step 106 is executed again and yet another interval length is determined by recompressing with the scaling factor. This still further interval length thus corresponds to the minimum interval length twice multiplied by the scaling factor.
  • step c) is aborted.
  • this further interval length is discarded and the minimum interval length is set as the interval length to be first traversed.
  • step 108 the distance between the workpiece and the optical sensor is then changed from the applicable starting distance in the direction of the end distance 36, wherein the optical sensor 14 detects images 48 of the workpiece 12 during the change of the distance 22, wherein each detected image 48 Focus value 52 and an image distance 50 is assigned.
  • a focus-image distance 58 in which the focus value 52 between the start distance 34 and the end distance 36 assumes an extreme value 56, is then determined in a step 110. This thus determined focus image distance 58 is the center of the next smaller interval.
  • a new starting distance 34 'and a new end distance 36' is set, the new starting distance 34 'and the new End distance 36 'between them have a next smaller interval length and a center the next smaller interval length of the determined in the previous step 1 10 focus image distance 48 is.
  • a new focus-image distance 58 ' is determined, which in turn forms the center of the next smaller interval length, etc.
  • the steps 108, 1 10 and 12 are run through until it is finally determined that the additionally running interval length was the minimum interval length 60 and that the focus image distance determined for this purpose is ultimately output as a result of the method 100.
  • FIG. 4 once more schematically shows the sequence of such a method using an example.
  • a capture region 38 is set, which simultaneously forms a minimum interval length.
  • a starting distance 34 and a final distance 36 is set. These include an expected location of the focus image distance 32.
  • the starting distance represents a maximum working distance of a lens and the end distance 36 'a minimum working distance of the lens, then it is ensured that the expected focus image distance 32 is within the capture range.
  • An image quantity to be recorded per interval length is set to 20 by way of example.
  • a target area is set to three sections 51. For each section 51, an image 48 is taken.
  • a scaling factor thus results from the quotient of 20: 3, such as 6.67.
  • a depth of field 47 and a minimum interval length 60 were also calculated based on a given magnification, for example 40 ⁇ .
  • the minimum interval length 65, the start distance 34 and the end distance 36 are known.
  • a speed 68 can be calculated, with which the minimum interval length 65 has to be traversed, in order to safely acquire 20 images with a minimum time duration.
  • the minimum interval length 60 is also known.
  • a speed 74 for traversing the minimum interval length 60 can also be determined here from the length and the given number of 20 images. However, there is no information about a start distance 34 "'and an end distance 36"' for positioning the minimum interval length.
  • the minimum interval length 60 is first applied to the scaling factor, and one obtains a further minimum interval length 62. This is even smaller than the maximum interval length 65. It now acts on the interval length 62 again with the scaling factor and receives The interval length 64 is again smaller than the minimum interval length 65. The interval length 64 is thus again applied to the scaling factor and the interval length 66 is obtained. However, this is greater than the minimum interval length 65, so that the determination of an interval graduation can be aborted and the interval length 66 is not to be used further.
  • a speed 70 for traversing the interval range 64 can be set.
  • the speed 70 is set opposite to the speed 68. In this way, the path that must be traveled by the end distance 36 'to the starting distance 34' shortens.
  • the focus-image distance 58 is determined. It is then determined that there is no next smaller interval length and thus the focus image distance 58 is output as the result and position of the plane with the sharpest image.
  • the advantages of the proposed method become clear.
  • the position of the focus-image distance 58 can ultimately be determined reproducibly and with high accuracy, and this in a relatively short time.
  • large interval lengths are "coarse" at high speed in order to determine centers for the next smallest interval lengths.
  • the method then always leads to the minimum interval length, but it is ensured that the plane of the sharpest image actually lies within this minimum interval length. This is then traversed only with very slow speed and very high resolution, that is with many pictures over the interval length.
  • Fig. 5 shows another possible embodiment of how the final focus values can be determined.
  • a focus value 52 'does not correspond to the respective focus value 52 determined for the respective image, but is an average of the respective focus value 52 and a number of m adjacent focus values 80.
  • adjacent focus values thus means those focus values which are assigned to the images taken immediately or later.
  • m 2.
  • the final focus value 52 ' is determined as the average of the focus value 52 of the respective image and the focus value of the two later and the two previously captured images 80.
  • the proposed method can lead to a shift of the determined extreme value and thus further increase the accuracy.
  • the figure also shows schematically how a target area 82 results from the sections 51.
  • the target area is given a value of three sections.
  • the value for the target area is set, the less one trusts a respective result based on the number of images 51 to be taken.
  • a high value for the target area 82 results in a relatively small scaling factor and therefore a relatively slow increase or decrease in the interval lengths 60-65 and relatively many interval lengths to be traversed.
  • the scaling factor becomes relatively large, so that the number of interval lengths 60 to 65 to be traveled becomes smaller.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Ermitteln eines Fokus-Bildabstands (58) eines mit einem Objektiv versehenen optischen Sensors (14) eines Koordinatenmessgeräts (10) auf ein zu vermessendes Werkstück (12), wobei der optische Sensor (14) und das Werkstück (12) in einer Z-Richtung (20) relativ zueinander bewegbar sind, so dass ein Abstand (22) in der Z-Richtung (20) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14) veränderbar ist. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Koordinatenmessgerät (10) und ein Computerprogrammprodukt.

Description

Verbessertes Autofokusverfahren für ein Koordinatenmessgerät
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines fo- kussierten Bildabstands eines optischen Sensors eines Koordinatenmessgerats auf ein zu vermessendes Werkstück, wobei der optische Sensor und das Werkstück in einer Z- Richtung relativ zueinander bewegbar sind, so dass ein Abstand in der Z-Richtung zwischen dem Werkstück und dem optischen Sensor veränderbar ist, mit den folgenden Schritten:
[0002] Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Koordinatenmessgerät mit einem optischen Sensor und einer Regelungseinrichtung zur Fokussierung des optischen Sensors. [0003] Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2007 039 981 A1 bekannt. Des Weiteren sind ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung aus der Druckschrift DE 10 201 1 1 16 734 A1 bekannt.
[0004] Koordinatenmessgeräte sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Sie dienen dazu, beispielsweise im Rahmen einer Qualitätssicherung Werkstücke zu überprüfen oder die Geometrie eines Werkstücks vollständig im Rahmen eines so genannten "Reverse Engineering" zu ermitteln. Darüber hinaus sind vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar.
[0005] In derartigen Koordinatenmessgeräten können verschiedene Arten von Sensoren zur Anwendung kommen, um die Koordinaten eines zu vermessenden Werkstücks zu erfassen. Beispielsweise sind hierzu taktil messende Sensoren bekannt, wie sie beispielsweise von der Anmelderin unter der Produktbezeichnung "VAST XT" oder "VAST XXT" vertrieben werden. Hierbei wird die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks mit einem Taststift angetastet, dessen Koordinaten im Messraum ständig bekannt sind. Ein derartiger Taststift kann auch entlang der Oberfläche eines Werkstücks bewegt werden, so dass in einem solchen Messvorgang im Rahmen eines so genannten "Scan- ning-Verfahrens" eine Vielzahl von Messpunkten in festgelegten zeitlichen Abständen erfasst werden kann.
[0006] Darüber hinaus ist es bekannt, optische Sensoren einzusetzen, die ein berührungsloses Erfassen der Koordinaten eines Werkstücks ermöglichen. Ein Beispiel für einen derartigen optischen Sensor ist der unter der Produktbezeichnung "ViScan" von der Anmelderin vertriebene optische Sensor.
[0007] Die Sensoren können dann in verschiedenen Arten von Messaufbauten verwendet werden. Ein Beispiel für einen solchen Messaufbau ist das Produkt "O- INSPECT" der Anmelderin. Bei einem derartigen Gerät finden sowohl ein optischer Sensor als auch ein taktiler Sensor Anwendung, um verschiedene Prüfaufgaben an einer Maschine und idealerweise mit einer einzigen Aufspannung eines zu vermessenden Werkstücks durchzuführen. Auf diese Weise lassen sich einfach sämtliche Prüfaufgaben beispielsweise in der Medizintechnik, der Kunststofftechnik, der Elektronik und der Feinmechanik durchführen. Selbstverständlich sind darüber hinaus auch verschiedene andere Aufbauten denkbar.
[0008] In einem Gerät, wie beispielsweise dem "O-INSPECT", wird das vermessene Werkstück auf einem Tisch aufgespannt. Der Tisch bildet dabei eine X-Y- Ebene. Senkrecht von dieser Ebene, das heißt in Z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems, ist der optische Sensor von dem zu vermessenden Werkstück beabstandet. Abhängig von dem zu vermessenden Werkstück und der relativen Position des optischen Sensors und des Tischs zueinander ist der optische Sensor auf das zu vermessende Werkstück zu fokussieren. In der Regel gilt dabei für alle X- Y-Positionen des Tischs eine Fokussierung in Z-Richtung.
[0009] Die Fokussierung wird dabei automatisch von dem Koordinatenmess- gerät durchgeführt. Dies erfolgt bekannterweise derart, dass ein Anwender den optischen Sensor zunächst manuell auf eine Position bzw. einen Abstand zu dem zu vermessenden Werkstück bewegt, in dem er etwa eine maximale Schärfe bzw. Fokussierung auf das Werkstück erwartet. Er gibt dann einen Suchbereich in Form einer Längenangabe bzw. einer Entfernung in Z-Richtung vor, in der nach der maximalen Schärfe bzw. besten Fokussierung gesucht werden soll.
[0010] Die Kamera wird dann um die Hälfte des vorgegebenen Suchbereichs weiter von dem zu vermessenden Werkstück entfernt und bewegt sich dann mit sehr langsamer Geschwindigkeit bis zum Ende des Suchbereichs auf das Werkstück zu.
Während dieser Kamerafahrt werden mittels des optischen Sensors in bestimmten Zeitintervallen Bilder dieses Werkstücks erfasst und von dem Koordinatenmessgerät von dem optischen Sensor abgefragt. Im Rahmen einer Auswertung wird dann ein so genannter Fokuswert eines bestimmten Bereichs des abgefragten Bildes ermittelt und die Position bzw. der Abstand zu dem zu vermessenden Werkstück, in dem die Bildanforderung abgeschickt wurde, zusammen mit dem Fokuswert gespeichert. Mit der so ermittelten Vielzahl von Fokuswerten und den jeweils zugehörigen Abständen zu dem zu vermessenden Werkstück lässt sich eine so genannte Fokuswertkurve auftragen. Das Koordi- natenmessgerät ist dann dazu in der Lage, einen Extremwert dieser Kurve zu bestimmen. Der zu dem Extremwert dazugehörige Abstand stellt dann denjenigen Abstand dar, in dem die maximale Schärfe bzw. die beste Fokussierung des optischen Sensors vorliegt, und der optische Sensor wird in diesem Abstand zu dem zu vermessenden Werkstück eingestellt.
[0011] Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren bekannt, die einen Fokuswert bestimmen können. Beispielsweise kann für die Auswertung ein Bereich der Bilder ausgewählt werden, in dem eine Kante eines zu vermessenden Werkstücks liegt. In diesem Bereich befindet sich dann ein sehr abrupter Farbübergang bzw. Hell-Dunkel- Übergang. Ein Fokuswert kann dann beispielsweise der maximale Gradient der Graustufenwerte des Bildes senkrecht zu der Kante sein. Je schärfer ein Bild eingestellt ist, desto höher wird der Gradient sein, da idealerweise ein abrupter Übergang von Hell zu Dunkel von einem Pixel auf den nächsten erfolgt. Je unschärfer das Bild eingestellt ist, desto kontinuierlicher ist der Hell-Dunkel-Übergang und desto geringer ist der Gradient. Selbstverständlich sind darüber hinaus auch viele weitere Möglichkeiten zur Bestimmung eines Fokuswerts denkbar und bekannt.
[0012] Wenn bei derartigen Verfahren systembedingt keine Möglichkeit besteht, einem jeweiligen Bild den exakten Abstand direkt zuzuordnen, in dem es aufgenommen wurde, kann es zu Ungenauigkeiten der Abstandsbestimmung kommen. Bei einer kontinuierlichen Kamerafahrt durch den Suchbereich stimmt der Zeitpunkt der Verwendung eines Bildes von dem optischen Sensor durch das Koordinatenmessgerät angeforderten Bildes niemals mit dem Zeitpunkt überein, in dem der optische Sensor das auf die Anfrage gelieferte Bild tatsächlich aufgenommen hat. Eine Lösung hierzu wurde beispielsweise in der Druckschrift DE 10 201 1 1 16 734 A1 vorgeschlagen.
[0013] Eine weitere Möglichkeit, die Ermittlung einer optimalen Fokussierung eines optischen Sensors einzustellen, ist beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2009 027 353 A1 gezeigt. Hier ist für den bestimmten optischen Sensor eine normalisierte Fokuswertkurve hinterlegt. Dadurch kann bereits mit einer geringen Anzahl von Aufnahmen eine momentane Lage des optischen Sensors auf der normalisierten Fokuswertkurve ermittelt und der optische Sensor dann in eine Position gebracht werden, die auf der normalisierten Fokuswertkurve einer optimalen Position entspricht. Auf diese Weise kann zwar eine relativ zügige Autofokussierung bereitgestellt werden, in der Regel werden jedoch nicht die für die Koordinatenmesstechnik erforderlichen Genauigkeitsanforderungen erfüllt. Darüber hinaus zeigt diese Druckschrift mehrere Beispiele für die Bestimmung von Fokuswerten.
[0014] Darüber hinaus sind mehrere weitere Möglichkeiten zur Erhöhung der Genauigkeit eines Verfahrens zur Bestimmung der bestmöglichen Fokussierung eines optischen Sensors vorgeschlagen worden.
[0015] Beispielsweise wird in der eingangs genannten Druckschrift DE 10 2007 039 981 A1 vorgeschlagen, in einem bestimmten Bereich der Fokuswertkurve die ermittelten Fokuswerte mit einer Funktion zu "einzupassen" und dann diese Kurve auszuwerten.
[0016] Darüber hinaus ist beispielsweise aus den Druckschriften DE 102 15 135 A1 und DE 10 2007 003 059 A1 bekannt, mehrere verschiedene Fokuskriterien an einem Bild zu ermitteln und diese etwa aufzusummieren oder gewichtet zu mittein, um möglichst genau die Lage des Abstands der maximalen Schärfe zu ermitteln.
[0017] Des Weiteren zeigen die Druckschriften 10 2005 009 554 A1 und WO 2006/125466 A1 verschiedene Vorschläge zur Bestimmung von Fokuswerten aufgenommener Bildstapel.
[0018] Die Druckschrift WO 2014/023780 A1 zeigt ein Koordinatenmessgerät mit einer Werkstückaufnahme zur Aufnahme eines Messobjekts und einen Messkopf, der relativ zu der Werkstückaufnahme verfahrbar ist. Der Messkopf trägt einen optischen Sensor. Eine Auswerte- und Steuereinheit ist dazu ausgebildet, Raumkoordinaten an dem Messobjekt in Abhängigkeit von einer Position des Messkopfes relativ zu der Werkstückaufnahme und in Abhängigkeit von Sensordaten des optischen Sensors zu bestimmen. Der optische Sensor beinhaltet ein Objektiv und eine Kamera. Das Objektiv besitzt eine Blende und mindestens vier separate Linsengruppen, von denen drei entlang der optischen Achse des Objektivs individuell verschiebbar sind. Des Weiteren ist auch die Blende entlang der optischen Achse individuell verschiebbar. Eine erste Linsengruppe ist im Bereich der Lichteintrittsöffnung des Objektivs feststehend angeordnet. Ein Koordinatenmessgerat mit einem solchen Objektiv ermöglicht die Variation von Vergrößerung, Fokussierung, Auflösung u.a. über einen großen Anwendungsbereich hinweg.
[0019] Derartige Sensoren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie in vielen verschiedenen Arbeitsabständen zwischen optischem Sensor und Werkstück arbeiten können. Darüber hinaus sind sie dazu in der Lage, mit verschiedenen, beliebig gewählten Vergrößerungen zu arbeiten. Dies ermöglicht unter anderem auch, Werkstücke mit relativ großen Höhenunterschieden problemlos zu vermessen. Gleichzeitig ergibt sich daraus, dass der Raumbereich, in dem sich eine Ebene einer besten Fokussierung befinden kann, grundsätzlich relativ groß wird. Es ist für einen Nutzer vorab schwerer abzuschätzen, wo in etwa sich die Ebene einer besten Fokussierung befinden wird. Dies macht es notwendig, einen anfänglichen„Fangbereich" relativ groß einzustellen, um sicherzugehen, die Ebene der besten Fokussierung innerhalb dieses Fangbereichs vorzufinden. Der Fangbereich meint dabei den Bereich, über den eine Suche nach der Ebene der besten Fokussierung begonnen wird.
[0020] Mit einem relativ großen Fangbereich gehen jedoch bislang zwei Nachteile einher. Zum einen dauert es relativ lange, bis eine Ebene der besten Fokussierung gefunden ist, da eine relativ große Wegstrecke durchfahren werden muss. Zum anderen nimmt die Reproduzierbarkeit des Ergebnisses für die Ebene der besten Fokussierung ab. Dem könnte entgegengewirkt werden, indem die Anzahl der Aufnahmen innerhalb des Fangbereichs erhöht und/oder die Geschwindigkeit, mit der der Fangbereich durchfahren wird, reduziert wird. Dies führt jedoch dazu, dass die für die Autofokussierung benötigte Zeitdauer noch weiter erhöht wird. Somit kann man entweder nur eine sehr langsame Autofokussierung erreichen, oder man muss eine maximale Größe des Fangbereichs beschränken, was jedoch unerwünscht ist und die Gefahr beinhaltet, dass die Ebene der besten Fokussierung außerhalb tatsächlich außerhalb des Fangbereichs liegt.
[0021] Vor diesem Hintergrund ist es eine technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstands eines optischen Sensors eines Koordinatenmessgeräts und ein Koordinatenmessgerät bereitzustellen, bei dem die Ermittlung des bestmöglichen fokussierten Bildabstands möglichst schnell bei wiederholbarer hoher Genauigkeit auch bei großen Fangbereichen erfolgt.
[0022] Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird daher vorgeschlagen, das eingangs genannte Verfahren durch die folgenden Schritte fortzubilden: a) Festlegen eines Fangbereichs mit einem Startabstand (34) und einem Endabstand, die zwischen sich eine Maximalintervalllänge aufweisen; b) Bestimmen einer Minimalintervalllänge abhängig von einer Schärfentiefe des Objektivs; c) Bestimmen mindestens einer weiteren Intervalllänge ausgehend von der Minimalintervalllänge, wobei ausgehend von der Minimalintervalllänge jeweils eine nächstgrößere Intervalllänge durch Vervielfachung mit einem Skalierungsfaktor festgelegt wird, solange bis die nächstgrößere Intervalllänge gleich oder größer als die Maximalintervalllänge ist; d) Verändern des Abstands zwischen dem Werkstück und dem optischen Sensor von dem Startabstand in Richtung des Endabstands (36), wobei der optische Sensor während des Verändern des Abstands Bilder des Werkstücks erfasst, und wobei jedem erfassten Bild ein Fokuswert und ein Bildabstand zugeordnet wird; e) Bestimmen des Fokus-Bildabstands, bei dem der Fokuswert zwischen dem Startabstand und dem Endabstand einen Extremwert einnimmt; f) Festlegen eines neues Startabstands und eines neuen Endabstands, wobei der neue Startabstand und der neue Endabstand zwischen sich eine nächstkleinere Intervalllänge aufweisen und eine Mitte der nächstkleineren Intervalllänge der Fokus-Bildabstand ist; g) Wiederholen der Schritte d) bis f), bis ein Fokus-Bildabstand in der Minimalintervalllänge bestimmt ist.
[0023] Das relative Bewegen zwischen dem optischen Sensor und das Verändern des Abstands kann dabei erfolgen, indem der optische Sensor festgehalten wird und ein Tisch, auf dem das Werkstück angeordnet ist, in Z-Richtung bewegt wird. Die Z- Richtung steht dabei senkrecht auf dem Tisch bzw. dem Werkstück. Eine Entfernung zwischen dem optischen Sensor und dem Werkstück in Z-Richtung gibt somit den Abstand zwischen dem optischen Sensor und dem Werkstück wieder.
[0024] Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Tisch bzw. das Werkstück fest steht und der optische Sensor bewegt wird. Letztlich kann selbstverständlich auch vorgesehen sein, dass sowohl der optische Sensor als auch das Werkstück bewegt werden. Es kommt lediglich darauf an, den Abstand, das heißt die Entfernung zwischen dem optischen Sensor und dem Werkstück in Z-Richtung zu variieren.
[0025] Durch das vorgeschlagene Verfahren wird es möglich, ausgehend von einem beliebig großen Fangbereich, bei gleichbleibender Wiederholgenauigkeit eine präzise beste Fokussierung zu ermitteln. Dies trägt dann in einem Koordinatenmessgerät dazu bei, wiederholbar und präzise mit dieser Einstellung für die Ebene des schärfsten Bildes Messergebnisse zu erzielen. Die Vergrößerung eines Objektivs kann beliebig gesetzt sein und ist bekannt. Auch der Fangbereich kann beliebig groß gesetzt werden. Für das Koordinatenmessgerät ist ein so genanntes Bild-Positions-Matching, das heißt die Zuordnung des Bildes der Kamera im Raum über die bekannte Position der Messmaschine und damit des optischen Sensors, ebenfalls bekannt. Fangbereiche von 20 bis 30 mm Größe bis zum kompletten Arbeitsabstand sind problemlos mit weiterhin hoher Geschwindigkeit bearbeitbar. Der Begriff "Vergrößerung" meint dabei die übliche Bedeutung in der Optik, nämlich das Verhältnis zwischen der Größe des Bildes und der wahren Größe eines Objekts. Insbesondere ist hierbei die Axialvergrößerung, das heißt die Vergrößerung längs der optischen Achse, im Weiteren relevant, da sie die Schärfentiefe beein- flusst. Da diese strenggenommen nur im Paraxialgebiet, d.h. dem achsnahen optischen Raum, definiert ist, wird allgemein von der "Vergrößerung" gesprochen. [0026] Der vorgestellten Lösung liegt zugrunde, zunächst abhängig von einer Schärfentiefe des Objektivs eine Minimalintervalllänge festzulegen, in der mit noch höchster Genauigkeit ein bester Fokuswert bzw. die Lage der Ebene der besten Fokus- sierung bestimmt werden kann. Diese Minimalintervalllänge ist grundsätzlich sehr kurz, so dass sie relativ langsam durchfahren werden kann, um innerhalb der Minimalintervalllänge eine relativ hohe Anzahl von Bildern aufzunehmen und die Lage des Fokus- Bildabstands, das heißt der Ebene des am besten fokussierten Bildes, zu bestimmen. Diese Minimalintervalllänge kann also relativ langsam und, in anderen Worten, mit hoher Auflösung durchfahren werden, d.h. mit einem geringen Abstand zwischen den Ebenen zweier benachbarter Bilder eines Bildstapels. Für den eingangs definierten Fangbereich gilt dies nicht. Die Intervalllänge des Fangbereichs ist sehr groß. Um die Geschwindigkeit des gesamten Verfahrens hoch zu halten, muss dieser sehr schnell durchfahren werden, wodurch nur relativ wenige Bilder pro Wegstrecke aufgenommen werden können und die Bestimmung des besten Fokuswerts somit noch relativ ungenau ist.
[0027] Eine "Intervalllänge" bezeichnet dabei immer die zurückzulegende Wegstrecke zwischen einem Startabstand und einem Endabstand.
[0028] Das vorgeschlagene Verfahren verknüpft nun den Fangbereich mit der Minimalintervalllänge derart, dass die abzufahrende Intervalllänge schrittweise vom Fangbereich auf die Minimalintervalllänge reduziert wird. Dabei leistet das vorgeschlagene Verfahren, dass die jeweils nächstkleinere Intervalllänge immer derart positioniert wird und in ihrer Größe gewählt ist, dass die tatsächliche Ebene des schärfsten Bildes innerhalb der Intervalllänge verbleibt. Die Intervalllängen werden dabei vorab ausgehend von der Minimalintervalllänge bestimmt, wie nachstehend noch detaillierter beschrieben wird. Ausgehend von einem Zwischenergebnis, nämlich jeweils der Lage der Bildebene mit dem besten Fokuswert bzw. der Ebene des schärfsten Bildes für eine bestimmte Intervalllänge, wird die Lage dieser Ebene als Mittelpunkt für die nächstkleinere Intervalllänge bestimmt.
[0029] Dies ermöglicht es, zunächst den sehr großen Fangbereich mit hoher Geschwindigkeit und einer relativ geringen Bildanzahl, also geringer Auflösung, zu durchfahren und gleichzeitig eine Minimalintervalllänge mit sehr geringer Geschwindigkeit aber relativ vielen Bildern, also hoher Auflösung, zu durchfahren, wobei sichergestellt ist, dass die Positionierung der Minimalintervalllänge so erfolgt ist, dass in ihr auch tatsächlich die Ebene des schärfsten Bildes liegt. Für etwaige zwischen dem ursprünglichen Fangbereich der Minimalintervalllänge bestimmte Intervalllängen gilt dann, dass deren Länge vom Fangbereich hin zu der Minimalintervalllänge sukzessive abnimmt. Die Geschwindigkeit, mit der die abnehmenden Intervalllängen durchfahren werden, kann dabei, abhängig von einer Wiederholrate des optischen Sensors und der gewählten über die Intervalllänge aufzunehmenden Anzahl von Bildern, abnehmen, muss dieses jedoch nicht. Selbst ein Abnehmen der Geschwindigkeit wäre jedoch nicht kritisch, da die abzufahrende Wegstrecke, die Intervalllänge, ebenfalls abnimmt.
[0030] Insbesondere ist die über eine Intervalllänge aufzunehmende Bildanzahl konstant gewählt. Daraus folgt dann, dass, ausgehend von dem Fangbereich mit relativ geringer Bildanzahl und hoher Geschwindigkeit und somit geringer Auflösung und Genauigkeit, sich die Auflösung und Genauigkeit mit abnehmenden Intervalllängen sukzessive erhöht. Da die Intervalllängen abnehmen, werden trotz eventuell abnehmender Geschwindigkeiten die notwendigen Zeitdauern nicht signifikant größer. Da eine jeweils nächstkleinere Intervalllänge mit ihrer Mitte immer auf der innerhalb der nächstgrößeren Intervalllänge gefundenen Ebene des schärfsten Bildes positioniert wird, kann sichergestellt werden, dass eine nächstkleinere Intervalllänge jeweils die tatsächliche Ebene des schärfsten Bildes immer noch beinhaltet, und man fährt diese Ebene sukzessive mit immer größer werdender Genauigkeit an. Mit hoher Beständigkeit und einem beliebig groß gewählten Fangbereich können so Reproduzierbarkeiten in einem Bereich von weniger als 3 μηη erreicht werden.
[0031] Die genaue Ermittlung der einzelnen Parameter wird im Folgenden noch detaillierter erläutert. Typische Beispiele für Rahmenbedingungen können sein, etwa 20 Bilder pro Intervalllänge aufzunehmen in einem optischen Sensor, der etwa 30 Bilder pro Sekunde als Wiederholrate aufnehmen kann. Eine drei- bis vierfache Schärfentiefe kann gewählt sein, beispielsweise kann diese dann etwa in einem Bereich von 40 μηη als Minimalintervalllänge liegen. Die Größe eines Skalierungsfaktors zur Ermittlung einer Abstaf- felung der Intervalllängen kann dann etwa bei 6,67 liegen, was sich aus der Division der Anzahl der Bilder pro Intervalllänge, nämlich 20, durch eine Zielbreite, beispielsweise ebenfalls ausgedrückt in Anzahl Bildern, nämlich 3, in der man die Lage der tatsächlichen Ebene des schärfsten Bildes vermuten kann.
[0032] Zunächst wird somit aus der eingestellten Vergrößerung und einer numerischen Apertur des Objektivs, die beide bekannt sind, der von der Wellenlänge des Lichts abhängige Betrag der Schärfentiefe berechnet. Die verwendeten Gleichungen zur Berechnung dieser Schärfentiefe sind im Folgenden noch detaillierter erläutert. Insbesondere kann zunächst aus bekannter bildseitiger numerischer Apertur und der Vergrößerung die objektseitige numerische Apertur bestimmt werden und dann auf Basis einer Referenzwellenlänge die Schärfentiefe.
[0033] Unter der Schärfentiefe bzw. Tiefenschärfe wird die Länge verstanden, die der optische Sensor in Richtung der optischen Achse verfahren kann, bei der das ermittelte Bild aber immer noch den ungefähr gleichen schärferen Eindruck vermittelt.
[0034] Dieser ermittelte Wert der Schärfentiefe führt in die Grundlage für die Berechnung der Minimalintervalllänge, die zum Verfahren der Maschine benötigt wird, um die beste Reproduzierbarkeit der Bestimmung der Ebene des schärfsten Bildes zu gewährleisten. Beispielsweise kann die Minimalintervalllänge auf den zweifachen oder dreifachen Betrag der Schärfentiefe angesetzt werden. Ausgehend von dieser Minimalintervalllänge kann dann durch Skalierung mit einem Skalierungsfaktor die Länge des nächstgrößeren Intervalls ermittelt werden. Bezüglich der Ermittlung des Skalierungsfaktors wird im Folgenden ebenfalls näher ausgeführt. Der Skalierungsfaktor ist stets größer als 1 und ist abhängig von der Anzahl der pro Intervalllänge erfassten Bilder und eines Werts für einen Zielbereich, das heißt beispielsweise der Anzahl der Abschnitte einer Intervalllänge, in der man die Ebene des schärfsten Bildes tatsächlich vermuten kann. Dies wird so oft wiederholt, bis ein derart bestimmter nächstgrößerer Intervallbereich der Länge des Fangbereichs entspricht oder diese übertrifft. Die Länge des Fangbereichs gibt in jedem Fall die Länge der Maximalintervalllänge an, das heißt der Intervalllänge, die zuerst durchfahren wird. Ist eine Intervalllänge somit länger als die des Fangbereichs, so würde diese verworfen und durch den Fangbereich ersetzt sowie an dieser Stelle die Bestimmung der Intervalllängen dann abgebrochen. Die Intervalllängen sind dann alle bestimmt und können, beginnend mit der Maximalintervalllänge, sukzessive, sozusagen "rückwärts", bis einschließlich der Minimalintervalllänge abgefahren werden. Somit wird beim Ausführen des eigentlichen Autofokusvorgangs und ausgehend von dem Fangbereich bzw. der Minimalintervalllänge von einer Startposition in eine Endposition gefahren und das bei dieser Fahrt erfasste schärfste Bild oder interpretierte schärfste Bild ermittelt. Der entsprechende Abstand dieses Bildes wird dann zunächst als Lage der Ebene des schärfsten Bildes bestimmt und bildet die Mitte für das nächstkleinere Intervall, so dass sich ein neuer Startabstand und ein neuer Endabstand bestimmen lassen. Dann liegt ausgehend von der momentan bestimmten Ebene des schärfsten Bildes die Hälfte der nächstkleineren Intervalllänge in positiver Z-Richtung, das heißt weg vom Werkstück, und die Hälfte der nächstkleineren Intervalllänge in negativer Z-Richtung, das heißt in Richtung des Werkstücks. Dann wird dieser Bereich durchfahren und in diesem nächstkleineren Intervall die geforderte Anzahl Bilder ermittelt, dann erneut die Ebene des schärfsten Bildes bestimmt und, ausgehend von dieser wiederum die nächstkleinere Intervalllänge positioniert, so dass man erneut einen neuen Startabstand und einen neuen Endabstand erhält usw. Dies wird so lange fortgeführt, bis die Minimalintervalllänge durchfahren wurde und die dabei ermittelte Ebene des schärfsten Bildes letztendlich das Ergebnis für das Verfahren bildet.
[0035] Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen, das eingangs genannte Koordinatenmessgerät dahingehend weiterzubilden, dass die Regelungseinrichtung zur Ausführung eines Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung eingerichtet ist.
[0036] Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird darüber hinaus ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm bereitgestellt, das Programmcodemittel zur Durchführung eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Koordinatenmessgerät oder einer Datenverarbeitungseinrichtung eines Koordinatenmessgeräts, die insbesondere auch als externe Einheit an das Koordinatenmessgerät angeschlossen sein kann, oder einer Regelungseinrichtung eines Koordinatenmessgeräts ausgeführt wird. [0037] Das Koordinatenmessgerät gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und das Computerprogrammprodukt gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weisen dieselben Vorteile wie das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf.
[0038] Die eingangs gestellte Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
[0039] In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass während des Schritts d) die Intervalllänge in jeweils eine gleiche Anzahl gleich großer Abschnitte aufgeteilt wird und in jedem Abschnitt ein Bild erfasst wird, insbesondere so dass die Anzahl erfasster Bilder über jede Intervalllänge identisch ist.
[0040] Es kann somit beispielsweise vorgesehen sein, dass für jede Intervalllänge 20 Bilder aufzunehmen sind. Grundsätzlich kann die Anzahl der zu erfassenden Bilder auch anders gewählt sein, insbesondere in einem Bereich von 5 bis 250 Bildern, vorzugsweise 10 bis 50 Bildern, weiter vorzugsweise 20 bis 30 Bildern. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass in den relativ großen Intervalllängen, insbesondere im anfänglichen Fangbereich, abhängig von einer Wiederholrate, zu Englisch "frame rate", des optischen Sensors mit relativ hoher Geschwindigkeit die entsprechend große Intervalllänge durchfahren werden kann. Dies ist auch vollkommen ausreichend, da zunächst nur eine grobe Bestimmung der Lage der Ebene der größten Bildschärfe zu erfolgen hat. Die dadurch erreichte Auflösung der Bilderfassung über die Intervalllänge kann also sehr gering sein. Gleichzeitig wird dadurch jedoch erreicht, dass in den kleineren Intervalllängen, insbesondere in der Minimalintervalllänge, die Anzahl der aufgenommenen Bilder, die Auflösung, mit der Bilder erfasst werden, relativ groß ist. Natürlich muss eventuell in Abhängigkeit von der Wiederholrate des optischen Sensors die Geschwindigkeit der Durchfahrt verringert werden. Aufgrund der dann jedoch relativ kurzen Intervalllängen wird dies jedoch mehr als aufgewogen.
[0041] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Minimalintervalllänge in Schritt b) gemäß bestimmt wird, wobei Z^ die Minimalintervalllänge, a ein Faktor und DOF eine Schärfentiefe des Objektivs ist. Auf diese Weise wird es einfach möglich, die Minimalintervalllänge abhängig von einer Schärfentiefe des optischen Sensors in der gewählten Einstellung festzulegen. Insbesondere ist a größer als 1 .
[0042] In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass Faktor a in einem Bereich 1 < a < 5 liegt, vorzugsweise in einem Bereich 2 < a < 4 liegt, weiter vorzugsweise 3 ist.
[0043] Es hat sich gezeigt, dass in etwa das Dreifache der Schärfentiefe die Minimalintervalllänge bilden sollte, um mit für die Koordinatenmessung hoher Genauigkeit die Lage der Ebene des schärfsten Bildes bestimmen zu können.
[0044] In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Objektiv ein beidseitig telezentrisches Zoom-Objektiv ist.
[0045] Ein solches Objektiv ermöglicht nicht nur das Arbeiten mit verschiedenen Vergrößerungen, sondern auch aufgrund der beidseitigen Telezentrie ein genaues Erfassen über einen großen Bereich von Arbeitsabständen. Insbesondere ist es möglich, die bildseitige numerische Apertur konstant zu halten. Beispielsweise kann sie bei konstant 0,032 liegen.
[0046] In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Schärfentiefe des Objekts gemäß
Figure imgf000016_0001
bestimmt wird, wobei DOF die Schärfentiefe des Objektivs, V die Vergrößerung des Objektivs, insbesondere eine Axialvergrößerung, NA die bildseitige numerische Apertur bei der Vergrößerung und A eine Referenzwellenlänge ist. [0047] Die folgende Tabelle gibt ein Beispiel dafür, wie bei einem optischen Sensor, der eine konstante bildseitige numerische Apertur von 0,032 aufweist, abhängig von der Vergrößerung sich die Schärfentiefe bei einer Referenzwellenlänge von 550 nm ergibt.
Figure imgf000017_0001
[0048] Dabei bildet das Produkt aus der bildseitigen numerischen Apertur und der Vergrößerung die objektseitige Apertur, so dass gilt: objektseitige Apertur = bildseitige numerische Apertur χ Vergrößerung. Mit einer bekannten, insbesondere konstanten, bildseitigen numerischen Apertur einer festgelegten Referenzwellenlänge, die insbesondere für 550 nm festgesetzt sein kann, kann somit lediglich abhängig von der eingestellten Vergrößerung V die Schärfentiefe bestimmt werden und aus dieser wiederum die Minimalintervalllänge. Dies ermöglicht ein einfaches und schnelles Ermitteln der Minimalintervalllänge. Insbesondere kann die Schärfentiefe und/oder die Minimalintervalllänge so unmittelbar bei Vorgabe einer bestimmten Vergrößerung systematisch bestimmt und zur weiteren Verwendung vorgehalten werden.
[0049] In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Referenzwellenlänge in einem Bereich 400nm < λ < 650nm liegt, vorzugsweise 550 nm ist. [0050] Insbesondere sollte die Referenzwellenlänge innerhalb des Spektralbereichs der Lichtquellen des Koordinatenmessgerätes liegen. Eine Wellenlänge von 550 nm liegt grundsätzlich in etwa in der Mitte des menschlich sichtbaren Spektralbereichs, insbesondere dem Spektralbereich zwischen 380 nm und 780 nm, und kann somit bei entsprechenden Lichtquellen bevorzugt sein. Werden aber beispielsweise monochromatische Lichtquellen verwendet, insbesondere Laserlichtquellen, so kann vorgesehen sein, die entsprechende Wellenlänge der Lichtquellen als Referenzwellenlänge zu verwenden.
[0051] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass jede Intervalllänge in jeweils eine gleiche Anzahl gleich großer Abschnitte aufgeteilt wird und in jedem Abschnitt ein Bild erfasst wird, und wobei der Skalierungsfaktor abhängig von der Anzahl gleich großer Abschnitte und einer weiteren Abschnittsanzahl bestimmt wird, insbesondere wobei die weitere Abschnittsanzahl die eine vermutete Zielbreite repräsentiert, innerhalb der der Fokus-Bildabstand einen Extremwert einnimmt.
[0052] Auf diese Weise kann der Skalierungsfaktor gebildet werden. Der Skalierungsfaktor ist insbesondere größer als 1 . Die "weitere Abschnittsanzahl, die einen vermuteten Zielbereich repräsentiert", gibt dabei i anderen Worten an, inwieweit man dem in einer größeren Intervalllänge gefundenen Ergebnis dahingehend vertraut, dass in diesem Bereich auch die tatsächliche Ebene der besten Bildschärfe liegt. Setzt man die Zielbreite zum Beispiel auf 3, so würde dies in etwa bedeuten, dass man davon ausgeht, dass die Ebene mit der tatsächlich besten Bildschärfe entweder direkt in dem Abschnitt, in dem das erfasste schärfste Bild liegt, oder in einem benachbarten Abschnitt liegt. Natürlich spielt diese Größe auch mit der Anzahl der überhaupt pro Intervalllänge zu erfassenden Bilder zusammen, da die Anzahl der gleich großen Abschnitte der Anzahl der zu erfassenden Bilder entspricht. Ist diese sehr groß, könnte man die Zielbreite relativ klein setzen, da auch bei einer großen Intervalllänge die Bildanzahl und damit die Auflösung der Bilderfassung schon relativ groß wäre. Bei relativ kleiner Bildanzahl könnte man dazu tendieren, die Zielbreite größer zu setzen, da aufgrund der geringeren Auflösung das Ergebnis weniger vertrauenswürdig ist. [0053] In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Skalierungsfaktor gemäß
AA
SF ZB bestimmt wird, wobei SF der Skalierungsfaktor, AA die Anzahl gleich großer Abschnitte eines Intervallbereich und ZB die weitere Abschnittsanzahl ist, wobei AA größer als ZB ist.
[0054] Der Skalierungsfaktor wird also als Quotient aus der Anzahl der gleich großen Abschnitte, mit anderen Worten auch der Anzahl der pro Intervalllänge aufzunehmenden Bilder, sofern diese konstant für alle Intervalllängen festgelegt ist, und dem Zielbereich gebildet. Der Zielbereich wird ebenfalls in einer Anzahl von Abschnitten ausgedrückt. Aus dieser Formel ergeben sich auch anschaulich die voranstehend genannten Wirkungen der Festsetzung der beiden Parameter. Setzt man die Anzahl der Abschnitte bzw. die Anzahl der zu erfassenden Bilder pro Intervalllänge sehr hoch an, ergibt sich ein relativ großer Skalierungsfaktor, was im Ergebnis eine geringe Anzahl von insgesamt zu durchfahrenden Intervalllängen zur Folge hat. Dies kommt daher, dass dann mittels des relativ großen Skalierungsfaktors die Minimalintervalllänge relativ schnell auf oder über den Fangbereich skaliert wird. Dies ist auch stimmig, da aufgrund der großen Anzahl von Abschnitten bereits bei großen Intervalllängen bzw. Fangbereichen eine relativ detaillierte Abtastung mit hoher Auflösung erfolgt. Zwar dauert dies über eine Intervalllänge relativ lang, aufgrund der geringeren Anzahl von zu durchfahrenden Intervalllängen kann dieses jedoch kompensiert werden. Entsprechend kann man sich bei nur einer geringen Anzahl von Abschnitten und damit im Ergebnis einem geringen Skalierungsfaktor nur sehr langsam der Minimalintervalllänge annähern, und eine einzelne Intervalllänge wird dann sehr schnell durchfahren, jedoch sind relativ viele Intervalllängen zu durchfahren, bis man an der Minimalintervalllänge anlangt Entsprechend Umgekehrtes gilt für den Zielbereich. Setzt man diesen bestmöglich nur mit 1 an, ergibt sich ein relativ großer Skalierungsfaktor, und man kommt sehr schnell auf die Minimalintervalllänge. Dies bedeutet jedoch auch, dass man einem im Fangbereich oder großen Intervalllängen gefundenen Ergebnis sehr gut vertraut. Vertraut man dieser weniger, ist entsprechend ein großer Zielbereich zu wählen. Dann ergibt sich ein entsprechend kleinerer Skalierungsfaktor, und man nähert sich der Minimalintervalllänge nur langsam an. Gleichzeitig ist entsprechend auf diese Weise sichergestellt, ein reproduzierbares Ergebnis zu erhalten.
[0055] In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Anzahl gleich großer Abschnitte einer Intervalllänge in einem Bereich 5 < AA < 40 liegt, vorzugsweise in einem Bereich 10 < AA < 30 liegt, weiter vorzugsweise 20 ist, und wobei die weitere Abschnittszahl in einem Bereich 1 < ZB < 5 liegt, vorzugsweise in einem Bereich 2 < ZB < 4 liegt, weiter vorzugsweise 2 oder 3 ist.
[0056] Selbstverständlich können die angegebenen Bereiche für die Zielbereiche auch unabhängig von der entsprechenden Bereichsangabe für die Anzahl der Abschnitte einer Intervalllänge gewählt sein. Es hat sich gezeigt, dass mit diesen Auswahlbereichen für Koordinatenmessgeräte mit optischen Sensoren und üblichen Arbeits- abständen zwischen 40 und 280 mm besonders gute Ergebnisse erzielt werden können.
[0057] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass eine Geschwindigkeit, mit der der Abstand zwischen dem Werkstück und dem optischen Sensor bei einem Ausführen des Schritts d) jeweils geändert wird, abhängig einer jeweiligen Intervalllänge, einer Anzahl von innerhalb der Intervalllänge aufzunehmender Bilder und einer maximalen Bildwiederholrate des optischen Sensors bestimmt wird, insbesondere gemäß
L - W
v =
AA bestimmt wird, wobei v die Geschwindigkeit, L die jeweilige Intervalllänge, W d\e Bildwiederholrate und AA die Anzahl von innerhalb der Intervalllänge aufzunehmenden Bildern ist.
[0058] Auf diese Weise kann eine maximal mögliche Geschwindigkeit für das Durchfahren einer jeweiligen Intervalllänge bestimmt werden, die den technischen Gegebenheiten des optischen Sensors, insbesondere seiner Bildwiederholrate, zu Englisch "frame rate", Rechnung trägt, so dass die vorgegebene Anzahl von Bildern auch tatsächlich über die Intervalllänge erfasst werden kann. Auf diese Weise wird die Zeitdauer zur Durchführung des Verfahrens minimiert.
[0059] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass in dem Schritt e) der Bildabstand desjenigen Bildes direkt als Fokus-Bildabstand bestimmt wird, bei dem der Fokuswert einen Extremwert einnimmt.
[0060] Es wird somit automatisch im Schritt e) der Bildabstand desjenigen Bildes, das den besten Fokuswert aufweist, als Fokus-Bildabstand festgelegt und gibt damit die Mitte der Positionierung der nächstkleineren Intervalllänge vor.
[0061] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Fokus-Bildabstand in dem Schritt e) durch eine Interpolation zwischen zwei Bildabständen bestimmt wird, indem eine die Fokuswerte verbindende Kurve mittels eines Polynoms approximiert wird und ein Extremwert des Polynoms bestimmt wird, wobei ein dem Extremwert zugeordneter und durch Interpolation, insbesondere lineare Interpolation, bestimmter Bildabstand als Fokus-Bildabstand bestimmt wird.
[0062] Es ist somit auch möglich, eine Interpolation des Fokus-Bildabstands zwischen zwei erfassten Werten vorzunehmen, indem eine die Fokuswerte verbindende Kurve mittels eines Polynoms approximiert wird und deren Extremwert bestimmt wird. Zwischen zwei erfassten Werten kann dann eine Interpolation, insbesondere eine lineare Interpolation, vorgenommen werden.
[0063] In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass in dem Schritt d) jede Intervalllänge vom Startabstand bis zum Endabstand durchfahren wird.
[0064] In diesem Fall wird jede Intervalllänge vollständig durchfahren. Dies kann insbesondere den Vorteil darin haben, dass ein Polynom bestmöglich approximiert werden kann. [0065] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass in dem Schritt d) das Verändern des Abstands abgebrochen wird, wenn die Fokuswerte der erfassten Bilder mindestens zweimal in Folge kleiner werden, insbesondere dreimal in Folge kleiner werden.
[0066] Schon während der Fahrt kann somit erkannt werden, dass eine Ebene mit dem schärfsten Bild überschritten wurde, dann kann die Fahrt unterbrochen und bereits anhand der ermittelten Ebene des schärfsten Bilds die Lage der nächstkleineren Intervalllänge bestimmt und diese abgefahren werden. Dies kann das Verfahren zusätzlich beschleunigen.
[0067] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Wiederholen des Schritts d) derart erfolgt, dass das Verändern des Abstands zwischen dem Werkstück und dem optischen Sensor abwechselnd zum Werkstück hin und vom Werkstück weg erfolgt.
[0068] Auf diese Weise kann die Zeitdauer zum Durchführen des Verfahrens wiederum minimiert werden, da zwischen den einzelnen Intervalllängen nur eine geringe Wegstrecke zwischen einem Endabstand einer vorherigen Intervalllänge zu einem Startabstand einer nächstkleineren Intervalllänge zurückzulegen ist.
[0069] Auf diese Weise kann insgesamt bei einer beliebigen anfänglichen Einfanggröße, die nur durch maximalen und minimalen Arbeitsabstand des Objektivs eingeschränkt ist, stets ein optimales Ergebnis für eine Lage der schärfsten Bildebene erzielt wird. Optimal bedeutet hierbei eine bestmögliche Reproduzierbarkeit des Messergebnisses, welches letztlich nur noch von der Vergrößerungsstufe des Objektivs abhängt.
[0070] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. [0071] Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Koordinaten- messgeräts,
Fig. 2a eine beispielhafte Ansicht eines Bildes,
Fig. 2b die Fokussierungsverhältnisse bei der Aufnahme des Bildes in Fig. 2a,
Fig. 2c eine schematische Ansicht zur Erläuterung einer Fokuswertkurve,
Fig. 3 eine Ausführungsform eines Verfahrens,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Abfolge von Intervalllängen, und
Fig. 5 schematische Darstellungen zur Erläuterung weiterer Ausgestaltungen des Verfahrens.
[0072] Fig. 1 zeigt ein Koordinatenmessgerät 10. Das Koordinatenmessgerät 10 dient zum Vermessen eines Werkstücks 12. Hierzu weist das Koordinatenmessgerät 10 einen optischen Sensor 14 auf. In Ergänzung zu dem optischen Sensor 14 können selbstverständlich noch weitere Sensoren vorgesehen sein, beispielsweise taktile Sensoren, die jedoch in der vorliegenden schematischen Ansicht nicht dargestellt sind.
[0073] Das zu vermessende Werkstück 12 ist beispielsweise auf einem Tisch oder einer Grundplatte 16 angeordnet. In der dargestellten Ansicht ist der Tisch oder die Grundplatte in einer X- Y-Ebene eines Koordinatensystems 18 ausgerichtet. Senkrecht zu dem Tisch 16 erstreckt sich eine Z-Richtung 20. Ein Abstand zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 in der Z-Richtung 20 ist mit einem Bezugszeichen 22 gekennzeichnet. Der optische Sensor 14 und der Tisch 16 bzw. das Werkstück 12 sind relativ zueinander bewegbar. Auf diese Weise kann der Abstand 22 verändert werden. Grundsätzlich kann hierzu vorgesehen sein, dass entweder der Tisch 16 zumindest in einer Z-Richtung bewegbar ist, oder dass der optische Sensor 14, beispielsweise mittels einer geeigneten Mechanik 24, in der Z-Richtung bewegbar ist. Bei der Mechanik 24 kann es sich beispielsweise auch um einen Portalaufbau oder ähnliches handeln. Das Koordi- natenmessgerät muss nicht zwingend einen Tischaufbau aufweisen. Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass sowohl der optische Sensor 14 als auch der Tisch 16 in der Z-Richtung bewegbar sind.
[0074] Der Einfachheit halber wird in den folgenden Ausführungen angenommen, dass der Tisch 16 bzw. das Werkstück 12 fest verbleibt und der optische Sensor 14 in der Z-Richtung bewegt wird, um den Abstand 22 zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 zu verändern. Dies muss jedoch nicht zwingend so sein.
[0075] Um den Abstand 22 derart zu verändern, dass der optische Sensor 14 auf das Werkstück 12 fokussiert ist, weist das Koordinatenmessgerät 10 eine Regelungseinrichtung 26 auf. Die Regelungseinrichtung 26 ist dazu in der Lage, den optischen Sensor 14 in einem Abstand 22 relativ zu dem Werkstück 12 derart zu bewegen, dass die mittels des optischen Sensors 14 aufgenommenen Bilder eine maximale Schärfe aufweisen. Hierzu kann eine Autofokussierungsfunktion des Koordinatenmessgeräts 10 ausgelöst werden. Des Weiteren weist das Koordinatenmessgerät 10 eine Datenverarbeitungseinrichtung 28 auf, die derart eingerichtet ist, dass sie eine Anforderung von Bildern des optischen Sensors 14 und ihre Auswertung durchführt und basierend auf diesen Ergebnissen eine Position des optischen Sensors 14 ausgibt, bei der eine Fokussierung des optischen Sensors 14 auf das Werkstück 12 eingerichtet ist. Diese wird dann durch die Regelungseinrichtung 26 eingestellt. Selbstverständlich kann es sich bei der Regelungseinrichtung 26 und der Datenverarbeitungseinrichtung 28 auch um eine einzige Einheit bzw. ein einziges Element handeln, die Datenverarbeitungseinrichtung 28 und die Regelungseinrichtung 26 sind lediglich zu Erläuterungszwecken als getrennte Einheiten dargestellt.
[0076] Darüber hinaus kann das Koordinatenmessgerät 10 ein Eingabegerät 30 aufweisen. Mit diesem kann ein Nutzer beispielsweise gewünschte Suchbereiche in das Koordinatenmessgerät 10 eingeben oder aber den optischen Sensor 14 manuell bewegen und so auch manuell einen Abstand 22 zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 einstellen.
[0077] Zu Beginn eines Verfahrens kann vorgesehen sein, dass ein Nutzer den optischen Sensor 14 etwa in die Nähe eines erwarteten Fokus-Abstands 32 einstellt. Ausgehend von diesem erwarteten fokussierten Abstand werden ein Startabstand 34 und ein Endabstand 36 festgelegt, die zwischen sich einen Fangbereich 38 definieren. In dem vorliegenden Beispiel weist der Startabstand 34 einen größeren Abstand 22 von dem Werkstück 12 als der Endabstand 36 auf. Selbstverständlich kann dieses auch umgekehrt gewählt sein. Alternativ kann des Weiteren vorgesehen sein, dass, falls keine Nutzereingabe zu Beginn erfolgen soll, der Startabstand 34 in einem maximal möglichen Abstand 22 zwischen optischem Sensor 14 und Werkstück 12 festgelegt wird und der Endabstand 36 in einem minimal möglichen Abstand 22 zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 festgelegt wird.
[0078] Fig. 2a zeigt ein Beispiel für ein während eines Fokussierungsvorgangs durch den optischen Sensor 14 aufgenommenes Bild.
[0079] In der Fig. 2b sind die Aufnahmeverhältnisse während des Aufnehmens des in Fig. 2a dargestellten Bildes aufgezeigt.
[0080] In der dargestellten Ausführungsform kann beispielsweise vorgesehen sein, dass als ein Fokuswert ein Hell-Dunkel-Übergang über eine Kante 40 herangezogen wird, die in dem Bildabstand des Werkstücks 12 sichtbar ist. Entsprechend wird eine so genannte "Area Of Interest (AOI)" 42 in dem Bild festgelegt, die die Kante 40 aufweist und im Folgenden ausgewertet wird. In dem dargestellten Beispiel verläuft die Kante 40 horizontal durch das Bild. Entsprechend kann beispielsweise ein Graustufengradient in vertikaler Richtung, das heißt senkrecht zu der Kante 40, innerhalb der AOI 42 zur Bildung des Fokuswerts herangezogen werden. Der optische Sensor 14 ist während der Aufnahme in einem bestimmten Abstand 22 zu dem Werkstück 12 eingestellt. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass eine dem optischen Sensor 14 zugewandte Oberfläche des Werkstücks 12 untersucht werden soll. Der optische Sensor 14 weist ein Objektiv 44 auf, das für eine optimale Fokussierung derart eingerichtet und angeordnet sein muss, dass eine Spitze 46 eines Fokuskegels auf der zu betrachtenden Oberfläche des Werkstücks 12 angeordnet wird. Im vorliegenden Beispiel liegt der Fokuskegel leicht innerhalb des Werkstücks 12, das heißt der Abstand 22 ist etwas zu klein. Eine Schärfentiefe ist ausgehend von der Spitze 46 des Fokuskegels mit 47 bezeichnet. Entsprechend ist das in der Fig. 2a dargestellte Bild leicht unscharf, das heißt ein Hell-Dunkel-Übergang über die Kante 40 weist einen relativ flachen Gradienten auf. Im Falle einer maximalen Schärfe würde sich der Fokuskegel 46 auf dem Werkstück 12 befinden. Der Hell-Dunkel- Übergang würde dann innerhalb der AOI 42 abrupter und der Gradient entsprechend höher, so dass ein höherer Fokuswert entstehen würde. Entsprechend ist in der folgenden Erläuterung der Fokuswert im dargestellten Beispiel derart gewählt, dass ein größerer Fokuswert eine bessere Fokussierung wiedergibt, ein maximaler Fokuswert also eine maximale Schärfe und damit eine optimale Fokussierung des optischen Sensors 14 auf das Werkstück 12 wiedergibt. Selbstverständlich können auch alle anderen bekannten Fokuswerte allein oder in Kombinationen verwendet werden, zusätzlich kann es auch möglich sein, dass sich für einen minimalen Fokuswert eine maximale Schärfe bzw.
optimale Fokussierung ergibt.
[0081] In der Fig. 2c ist schematisch dargestellt, wie sich aus einem aufgenommenen Bildstapel eine Fokuswertkurve ergibt.
[0082] Bei dem Durchfahren einer Intervalllänge oder des Fangbereichs 38 von dem Startabstand 34 in Richtung des Endabstands 36 in negative Z-Richtung 20 werden Bilder 48 aufgenommen. Die Anzahl der Bilder kann grundsätzlich variieren. Sie ist unter anderem abhängig von den verwendeten Komponenten, insbesondere der Kamera, von der Größe des Suchbereichs bzw. der Intervalllänge und der Geschwindigkeit bei dem Durchfahren des Suchbereichs. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass eine Anzahl der aufzunehmenden Bilder vorgegeben wird. Beispielsweise kann als Wert eine Anzahl von 20 vorgegeben werden.
[0083] Auf diese Weise wird ein Bildstapel aus mehreren Bildern 48 erzeugt. Jedem Bild 48 ist ein Bildabstand 50 zugeordnet, der angibt, in welchem Bildabstand 50 relativ zu dem Werkstück das jeweilige Bild 48 aufgenommen wurde. [0084] Für jedes Bild 48 wird dabei ein Fokuswert 52 ermittelt. Aus den Bildabständen 50 und den jeweiligen Fokuswerten 52 ergibt sich somit eine Punkteschar, die, wenn sie verbunden werden, eine Fokuswertkurve 54 wiedergeben. Die Fokuswertkurve 54 erstreckt sich somit dann über den gesamten abgefahrenen Suchbereich 38. Die Fokuswertkurve 54 weist einen Extremwert 56 auf. Der diesem Extremwert 56 zugehörige Fokus-Bildabstand 58 ist folglich derjenige Abstand, der gemäß der Auswertung die bestmögliche Fokussierung des optischen Sensors 14 auf das Werkstück 12 mit der maximalen Schärfe des dann aufgenommenen Bildes 48 anzeigt.
[0085] Des Weiteren ist in der Fig. 2c eine Entfernung 59 zwischen dem Startabstand 34 und dem Endabstand 36 aufgetragen. Die Entfernung 59 unterteilt sich in zwei gleich lange Abschnitte 59; ausgehend von dem von einem Nutzer zunächst eingestellten erwarteten fokussierten Abstand 32 werden der Startabstand 34 und der Endabstand 36 derart bestimmt, dass sie sich entgegengesetzt zueinander ausgehend von dem erwarteten fokussierten Abstand 32 jeweils in der Entfernung 59' erstrecken. In dem dargestellten Beispiel ist der Startabstand 34 weiter von dem Werkstück entfernt als der Endabstand 36. Dies kann aber selbstverständlich auch umgekehrt gewählt sein.
[0086] Des Weiteren ist in der Fig. 2c veranschaulicht, wie eine Intervalllänge zwischen einem Startabstand 34 und einem Endabstand 36 in mehrere Abschnitte 51 unterteilt ist, in denen jeweils ein Bild 48 aufgenommen wird. Die Anzahl der Abschnitte entspricht somit der Anzahl der Bilder. In jedem Abschnitt wird ein Bild aufgenommen.
[0087] Fig. 3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 gemäß einer Ausführungsform.
[0088] Nach dem Beginn des Verfahrens wird zunächst in einem Schritt 102 der Fangbereich 38 mit dem Startabstand 34 und dem Endabstand 36 festgelegt. Zwischen dem Startabstand 34 und dem Endabstand 36 ist die Minimalintervalllänge angeordnet. Sodann wird in einem Schritt 104 abhängig von einer Schärfentiefe des Objektivs eine Minimalintervalllänge bestimmt. Als lediglich beispielhafter Wert kann etwa die Schärfentiefe bei 13 μηι liegen, beispielsweise die Minimalintervalllänge liegt dann etwa bei 40 μηι.
[0089] Hiernach wird in einem Schritt 106 mindestens eine weitere Intervalllänge ausgehend von der Minimalintervalllänge bestimmt, wobei ausgehend von der Minimalintervalllänge 60 jeweils eine nächstgrößere Intervalllänge durch Vervielfachung mit einem Skalierungsfaktor festgelegt wird, so lange, bis die nächstgrößere Intervalllänge gleich oder größer als die Minimalintervalllänge ist. Somit wird zunächst die Minimalintervalllänge 60 mit dem Skalierungsfaktor vervielfacht, und man erhält eine weitere Intervalllänge. In einem Schritt 107 wird folglich abgefragt, ob die bestimmte weitere Intervalllänge gleich oder größer als die Minimalintervalllänge ist, wenn nicht, wird der Schritt 106 erneut ausgeführt und noch eine weitere Intervalllänge durch erneutes Vervielfachen mit dem Skalierungsfaktor bestimmt. Diese noch weitere Intervalllänge entspricht somit der Minimalintervalllänge zweimal multipliziert mit dem Skalierungsfaktor. Ist die bestimmte weitere Intervalllänge jedoch gleich oder größer als die Minimalintervalllänge, wird der Schritt c) abgebrochen. Insbesondere wird, falls die bestimmte weitere Intervalllänge größer als die Minimalintervalllänge ist, diese weitere Intervalllänge verworfen und die Minimalintervalllänge als zuerst abzufahrende Intervalllänge gesetzt. In einem Schritt 108 wird dann der Abstand zwischen dem Werkstück und dem optischen Sensor von dem geltenden Startabstand in Richtung des Endabstands 36 verändert, wobei der optische Sensor 14 während des Veränderns des Abstands 22 Bilder 48 des Werkstücks 12 erfasst, wobei jedem erfassten Bild 48 ein Fokuswert 52 und ein Bildabstand 50 zugeordnet wird.
[0090] Aus diesen wird dann in einem Schritt 1 10 ein Fokus-Bildabstand 58, bei dem der Fokuswert 52 zwischen dem Startabstand 34 und dem Endabstand 36 einen Extremwert 56 einnimmt, bestimmt. Dieser so bestimmte Fokus-Bildabstand 58 ist die Mitte des nächstkleineren Intervalls.
[0091] Folglich wird in einem Schritt 1 1 1 abgefragt, ob bereits die Minimalintervalllänge 60 durchfahren würde, ist dies nicht der Fall, wird ein neuer Startabstand 34' und ein neuer Endabstand 36' festgelegt, wobei der neue Startabstand 34' und der neue Endabstand 36' zwischen sich eine nächstkleinere Intervalllänge aufweisen und eine Mitte der nächstkleineren Intervalllänge der im vorhergehenden Schritt 1 10 bestimmte Fokus- Bildabstand 48 ist. So ergeben sich ein neuer Startabstand 34' und ein neuer Endabstand 36' zur erneuten Durchführung der Verfahrensschritte 108 und 1 10. Dabei wird ein neuer Fokus-Bildabstand 58' ermittelt, der wiederum die Mitte der nächstkleineren Intervalllänge bildet usw. Die Schritte 108, 1 10 und 1 12 werden so lange durchlaufen, bis letztendlich festgestellt wird, dass die zusätzlich laufende Intervalllänge die Minimalintervalllänge 60 war und der hierfür bestimmte Fokus-Bildabstand letztlich als Ergebnis des Verfahrens 100 ausgegeben wird.
[0092] Die Fig. 4 zeigt noch einmal schematisch den Ablauf eines solchen Verfahrens an einem Beispiel. Zunächst wird ein Fangbereich 38 gesetzt, der gleichzeitig eine Minimalintervalllänge bildet. Hierzu wird ein Startabstand 34 und ein Endabstand 36 gesetzt. Diese schließen eine zu erwartende Lage des Fokus-Bildabstands 32 ein. Im Extremfall stellt beispielsweise der Startabstand einen maximalen Arbeitsabstand eines Objektivs und der Endabstand 36' einen minimalen Arbeitsabstand des Objektivs dar, dann wird sichergestellt, dass der erwartete Fokus-Bildabstand 32 innerhalb des Fangbereichs liegt. Eine pro Intervalllänge aufzunehmende Bildanzahl ist beispielhaft auf 20 festgelegt. Gleichzeitig wird beispielhaft festgelegt, dass ein Zielbereich auf drei Abschnitte 51 festgelegt wird. Pro Abschnitt 51 wird ein Bild 48 aufgenommen. Ein Skalierungsfaktor ergibt sich somit aus dem Quotienten von 20 : 3, so etwa 6,67. Eine Schärfentiefe 47 und eine Minimalintervalllänge 60 wurden ebenfalls basierend auf einer gegebenen Vergrößerung berechnet, beispielsweise auf 40 μηη. Somit sind die Minimalintervalllänge 65, der Startabstand 34 und der Endabstand 36 bekannt. Aus der Anzahl der Bilder und einer gegebenen Wiederholrate des optischen Sensors kann eine Geschwindigkeit 68 berechnet werden, mit der die Minimalintervalllänge 65 zu durchfahren ist, um mit minimaler Zeitdauer 20 Bilder sicher aufzunehmen. Die Minimalintervalllänge 60 ist ebenfalls bekannt. Grundsätzlich ist auch hier bereits aus der Länge und der gegebenen Anzahl von 20 Bildern eine Geschwindigkeit 74 zum Durchfahren der Minimalintervalllänge 60 bestimmbar. Es fehlt jedoch eine Information über einen Startabstand 34"' und einen Endabstand 36"' zur Positionierung der Minimalintervalllänge. Hierzu wird folglich die Minimalintervalllänge 60 zunächst mit dem Skalierungsfaktor beaufschlagt, und man erhält eine weitere Minimalintervalllänge 62. Diese ist noch kleiner als die maximale Intervalllänge 65. Man beaufschlagt nun die Intervalllänge 62 erneut mit dem Skalierungsfaktor und erhält die Intervalllänge 64. Diese ist wiederum kleiner als die Minimalintervalllänge 65. Man beaufschlagt somit die Intervalllänge 64 erneut mit dem Skalierungsfaktor und erhält die Intervalllänge 66. Diese ist jedoch größer als die Minimalintervalllänge 65, so dass die Bestimmung einer Intervallstaffelung abgebrochen werden kann und die Intervalllänge 66 nicht weiter zu verwenden ist.
[0093] Das Durchfahren der Intervalllänge beginnt damit in der Minimalintervalllänge 65 bzw. dem eingangs festgelegten Fangbereich 38. Vom Startabstand 34 zum Endabstand 36 wird mit der Geschwindigkeit 48 durch die Minimalintervalllänge 65 gefahren und die festgelegte Anzahl von Bildern, nämlich 20, aufgenommen. Das Bild, bei dem der Fokuswert 52 einen Extremwert einnimmt, wird bestimmt und der zugeordnete Bildabstand 50 als Fokus-Bildabstand 58' festgelegt. In der Fig. 4 sind zu Anschauungszwecken alle Fokus-Bildabstände 58, 58', 58", 58"' und der erwartete Fokus-Bildabstand 32 auf einer Linie angeordnet. Grundsätzlich können diese jedoch in Z-Richtung zueinander versetzt sein. In der Praxis wird dies im Regelfall auftreten. Ausgehend von dem Fokus-Bildabstand 58' wird dann mit der bereits bestimmten Intervalllänge 64 ein neuer Startabstand 34' und ein neuer Endabstand 36' bestimmt. Der Fokus-Bildabstand 58' liegt dabei in der Mitte der Intervalllänge 64. Mit anderen Worten sind der Startabstand 34' und der Endabstand 36' gleich weit von dem Fokus-Bildabstand 58' entfernt. Wiederum aus der Wiederholrate des optischen Sensors 14 und der festgelegten Anzahl von Bildern kann nun eine Geschwindigkeit 70 zum Durchfahren des Intervallbereichs 64 festgelegt werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Geschwindigkeit 70 entgegengesetzt zu der Geschwindigkeit 68 festgelegt ist. Auf diese Weise verkürzt sich der Weg, der von dem Endabstand 36' zu dem Startabstand 34' zurückgelegt werden muss. Grundsätzlich kann jedoch auch vorgesehen sein, dass alle Intervalllängen in derselben Richtung durchfahren werden. Mit anderen Worten zeigen die Geschwindigkeiten 68, 70, 72, 74 dann alle in dieselbe Richtung. Erneut wird dann ein entsprechender Fokus-Bildabstand 58" aus den Bildern beim Durchfahren der Intervalllänge 64 ermittelt. Von dem Fokus- Bildabstand 58" ausgehend wird dann mit der Intervalllänge 62 wiederum ein neuer Startabstand 34" und ein neuer Endabstand 36" festgelegt, die Geschwindigkeit 72 bestimmt und der Intervallbereich 62 durchfahren. [0094] Erneut wird nun ein Fokus-Bildabstand 58"' ermittelt, der die Mitte des nächstkleineren Intervalllänge, nämlich der Minimalintervalllänge 60, bildet. Daraus ergeben sich wiederum ein neuer Startabstand 34"' und ein neuer Endabstand 36"', die mit der zugehörig ermittelten Geschwindigkeit 74 durchfahren werden. In dem dargestellten Beispiel sind aufgrund der gleichen Bildanzahl und der angenommenen gleichen Wiederholrate aufgrund der abnehmenden Länge der Intervalllängen 60 bis 65 die Geschwindigkeiten abnehmend, wobei die Geschwindigkeit 68 die höchste und die Geschwindigkeit 74 die geringste ist. Gleichzeitig sind unter der konstanten Bildanzahl die Auflösungen, in denen die Intervalllängen 60 bis 65 abgetastet werden, zunehmend, da sich die festgelegte Anzahl der Bilder über immer geringere Intervalllängen erstreckt.
[0095] Bei dem Durchfahren der Minimalintervalllänge 60 wird schließlich der Fokus-Bildabstand 58 ermittelt. Anschließend wird festgestellt, dass es keine nächstkleinere Intervalllänge gibt und somit der Fokus-Bildabstand 58 als Ergebnis und Lage der Ebene mit dem schärfsten Bild ausgegeben.
[0096] In diesem Beispiel werden die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens deutlich. Ausgehend von einem beliebig großen Fangbereich kann letztlich reproduzierbar und mit hoher Genauigkeit die Lage des Fokus-Bildabstands 58 bestimmt werden und dies in relativ kurzer Zeit. Es ist nämlich nicht notwendig, den gesamten Fangbereich mit sehr langsamer Geschwindigkeit und hoher Auflösung, das heißt einer sehr hohen Anzahl von Bildern, zu durchfahren. Man fährt große Intervalllängen mit hoher Geschwindigkeit zunächst "grob" ab, um Mittelpunkte für nächstkleinere Intervalllängen zu ermitteln. Letztendlich mündet das Verfahren dann immer zu der Minimalintervalllänge, wobei jedoch sichergestellt ist, dass innerhalb dieser Minimalintervalllänge auch tatsächlich die Ebene des schärfsten Bildes liegt. Diese wird dann erst mit sehr langsamer Geschwindigkeit und sehr hoher Auflösung, das heißt bei vielen Bildern über der Intervalllänge, abgefahren. Durch dieses iterative Abfahren der Intervalllänge ergibt sich letztendlich die geringe Zeitdauer für den Gesamtvorgang bei hoher Genauigkeit und vor allem hoher Reproduzierbarkeit, insbesondere von weniger als 3 μηη, unabhängig von der Größe des eingangs gewählten Fangbereichs. [0097] In der Fig. 5 sind letztlich noch verschiedene Ausgestaltungen zur Ermittlung einer Fokuswertkurve 54 bzw. zum Bestimmend des besten Fokuswerts 52 dargestellt.
[0098] Die Fig. 5 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform, wie die endgültigen Fokuswerte bestimmt werden können.
[0099] Hierbei ist vorgesehen, dass ein Fokuswert 52' nicht dem jeweiligen für das jeweilige Bild ermittelten Fokuswert 52 entspricht, sondern ein Mittelwert aus dem jeweiligen Fokuswert 52 und eine Anzahl von m benachbarten Fokuswerten 80 ist. Unter "benachbarten Fokuswerten" werden somit diejenigen Fokuswerte verstanden, die den unmittelbar früher bzw. später aufgenommenen Bildern zugeordnet sind. Im dargestellten Beispiel gilt m = 2. Insofern wird der endgültige Fokuswert 52' als Mittelwert des Fokuswerts 52 des jeweiligen Bildes und der Fokuswert der zwei später und der zwei früher aufgenommenen Bilder 80 bestimmt.
[00100] Auf diese Weise tritt eine deutliche Glättung der Fokuswertkurve ein. Dies ist in dem Diagramm der Fig. 9 dargestellt. Eine übliche Kurve, in der der Fokuswert 52' dem mit Fokuswert 52 entspricht, ist mit der Kurve 120 aufgetragen. Ein entsprechender Extremwert, der durch Approximation der Kurve 84 mittels eines Polynoms und Auswertung des Extremwerts dieses Polynoms bestimmt wurde, ist mit 86 bezeichnet. Demgegenüber ist die durch die Mittelwertbildung geglättete Kurve 90 aufgetragen. Ein entsprechender Extremwert in dieser Kurve ist mit 92 bezeichnet.
[00101] Wie zu erkennen ist, kann das vorgeschlagene Verfahren zu einer Verschiebung des ermittelten Extremwerts führen und somit die Genauigkeit weiter erhöhen.
[00102] Letztlich zeigt die Figur schematisch auch, wie ein Zielbereich 82 sich aus den Abschnitten 51 ergibt. Im dargestellten Beispiel ist als Zielbereich ein Wert von drei Abschnitten vorgegeben. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass man erwartet, dass die tatsächliche Ebene des schärfsten Bildes entweder innerhalb des Abschnitts des Fokuswerts 52 oder einem der unmittelbar benachbarten Abschnitte 80 liegt. Je höher somit der Wert für den Zielbereich gelegt wird, desto weniger vertraut man, basierend auf der Anzahl der aufzunehmenden Bilder 51 , einem jeweiligen Ergebnis. Folglich führt ein hoher Wert für den Zielbereich 82 zu einem relativ kleinen Skalierungsfaktor und daher zu einem relativ langsamen Anwachsen bzw. Abfallen der Intervalllängen 60 bis 65 und relativ vielen Intervalllängen, die zu durchfahren sind. Umgekehrt wird durch den minimalen Wert von 1 hinsichtlich des Zielbereichs der Skalierungsfaktor relativ groß, so dass die Anzahl von zu durchfahrenden Intervalllängen 60 bis 65 kleiner wird.

Claims

Patentansprüche Verfahren (100) zum Ermitteln eines Fokus-Bildabstands (58) eines mit einem Objektiv (44) versehenen optischen Sensors (14) eines Koordinatenmessgeräts (10) auf ein zu vermessendes Werkstück (12), wobei der optische Sensor (14) und das Werkstück (12) in einer Z-Richtung (20) relativ zueinander bewegbar sind, so dass ein Abstand (22) in der Z-Richtung (20) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14) veränderbar ist, mit den folgenden Schritten: a) Festlegen (102) eines Fangbereichs (38) mit einem Startabstand (34) und einem Endabstand (36), die zwischen sich eine Maximalintervalllänge (65) aufweisen; b) Bestimmen (104) einer Minimalintervalllänge (60) abhängig von einer Schärfentiefe (47) des Objektivs (44); c) Bestimmen (106) mindestens einer weiteren Intervalllänge (62, 64, 65, 66) ausgehend von der Minimalintervalllänge (60), wobei ausgehend von der Minimalintervalllänge (60) jeweils eine nächstgrößere Intervalllänge (62, 64, 65, 66) durch Vervielfachung mit einem Skalierungsfaktor festgelegt wird, solange bis die nächstgrößere Intervalllänge (62, 64, 65, 66) gleich oder größer als die Maximalintervalllänge (65) ist; d) Verändern (108) des Abstands (22) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14) von dem Startabstand (34) in Richtung des Endabstands (36), wobei der optische Sensor (14) während des Verändern des Abstands (22) Bilder (48) des Werkstücks (12) erfasst, und wobei jedem er- fassten Bild (48) ein Fokuswert (52) und ein Bildabstand (50) zugeordnet wird; e) Bestimmen (1 10) eines Fokus-Bildabstands (58, 58', 58", 58"'), bei dem der Fokuswert (52) zwischen dem Startabstand (34) und dem Endabstand (36) einen Extremwert (56) einnimmt; f) Festlegen (1 12) eines neues Startabstands (34') und eines neuen Endabstands (36'), wobei der neue Startabstand (34') und der neue Endabstand (36') zwischen sich eine nächstkleinere Intervalllänge (62, 64, 65, 66) aufweisen und eine Mitte der nächstkleineren Intervalllänge (62, 64, 65, 66) der im vorhergehenden Schritt e) bestimmte Fokus-Bildabstand (58, 58', 58", 58"') ist; g) Wiederholen der Schritte d) bis f) bis ein Fokus-Bildabstand (58) in der Minimalintervalllänge (60) bestimmt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass während des Schritts d) (108) die Intervalllänge (62, 64, 65, 66) in jeweils eine gleiche Anzahl (49) gleich großer Abschnitte (51 ) aufgeteilt wird und in jedem Abschnitt (51 ) ein Bild (48) er- fasst wird, insbesondere so dass die Anzahl (49) erfasster Bilder (48) über jede Intervalllänge (62, 64, 65, 66) identisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimalintervalllänge (60) im Schritt b) gemäß
bestimmt wird, wobei Z^ die Minimalintervalllänge (60), a ein Faktor und DOF eine Schärfentiefe (47) des Objektivs (44) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor a in einem Bereich 1 < α < 5 liegt, vorzugsweise in einem Bereich 2 < < 4 liegt, weiter vorzugsweise 3 ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (44) ein beidseitig telezentrisches Zoom-Objektiv (44) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schärfentiefe (47) des Objekts gemäß λ
DOF
(NA - V)2 bestimmt wird, wobei DOF die Schärfentiefe (47) des Objektivs (44), V die Vergrößerung des Objektivs (44), insbesondere eine Axialvergrößerung, NA die bild- seitige numerische Apertur bei der Vergrößerung und λ eine Referenzwellenlänge ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzwellenlänge in einem Bereich 400nm < λ < 650nm liegt, vorzugsweise 550 nm ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Intervalllänge (62, 64, 65, 66) in jeweils eine gleiche Anzahl (49) gleich großer Abschnitte (51 ) aufgeteilt wird und in jedem Abschnitt (51 ) ein Bild (48) erfasst wird, und wobei der Skalierungsfaktor abhängig von der Anzahl (49) gleich großer Abschnitte (51 ) und einer weiteren Abschnittsanzahl (82) bestimmt wird, insbesondere wobei die weitere Abschnittsanzahl (82) die eine vermutete Zielbreite repräsentiert, innerhalb der der Fokus-Bildabstand (58, 58', 58", 58"') einen Extremwert (56) einnimmt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Skalierungsfaktor gemäß
SF =—
ZB bestimmt wird, wobei SF der Skalierungsfaktor, AA die Anzahl (49) gleich großer Abschnitte (51 ) eines Intervallbereich und ZB die weitere Abschnittsanzahl ist, wobei AA größer als ZB ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (49) gleich großer Abschnitte (51 ) eines Intervalllänge (62, 64, 65, 66) in einem Bereich 5 < AA < 40 liegt, vorzugsweise in einem Bereich 10 < AA < 30 liegt, weiter vorzugsweise 20 ist, und wobei die weitere Abschnittszahl in einem Bereich
1 < ZB < 5 liegt, vorzugsweise in einem Bereich 2 < ZB < 4 liegt, weiter vorzugsweise 2 oder 3 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Geschwindigkeit (68, 70, 72, 74), mit der der Abstand (22) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14) bei einem Ausführen des Schritts d) jeweils geändert wird, abhängig einer jeweiligen Intervalllänge (62, 64, 65, 66), einer Anzahl (49) von innerhalb der Intervalllänge (62, 64, 65, 66) aufzunehmender Bilder (48) und einer maximalen Bildwiederholrate des optischen Sensors bestimmt wird, insbesondere gemäß
L - W
v =
AA bestimmt wird, wobei v die Geschwindigkeit, L die jeweilige Intervalllänge (62, 64, 65, 66), W d\e Bildwiederholrate und AA die Anzahl (49) von innerhalb der Intervalllänge (62, 64, 65, 66) aufzunehmenden Bildern ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt e) der Bildabstand (50) desjenigen Bildes (48) direkt als Fokus- Bildabstand (58, 58', 58", 58"') bestimmt wird, bei dem der Fokuswert (52) einen Extremwert (56) einnimmt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus-Bildabstand (58, 58', 58", 58"') in dem Schritt e) durch eine Interpolation zwischen zwei Bildabständen (50) bestimmt wird, indem eine die Fokuswerte (52) verbindende Kurve (54) mittels eines Polynoms approximiert wird und ein Extremwert (56) des Polynoms bestimmt wird, wobei ein dem Extremwert (56) zugeordneter und durch Interpolation, insbesondere lineare Interpolation, bestimmter Bildabstand (50) als Fokus-Bildabstand (58) bestimmt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt d) jede Intervalllänge (62, 64, 65, 66) vom Startabstand (34) bis zum Endabstand (36) durchfahren wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt d) das Verändern des Abstands (22) abgebrochen wird, wenn die Fokuswerte (52) der erfassten Bilder (48) mindestens zweimal in Folge kleiner werden, insbesondere dreimal in Folge kleiner werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Wiederholen des Schritts d) derart erfolgt, dass das Verändern des Abstands (22) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14) abwechselnd zum Werkstück (12) hin und vom Werkstück (12) weg erfolgt.
17. Koordinatenmessgerät (10) mit einem optischen Sensor (14) und einer Regelungseinrichtung (26) zur Fokussierung des optischen Sensors (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (26) zur Ausführung eines Verfahrens (70) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 eingerichtet ist.
18. Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Programmcodemittel zur Durchführung eines Verfahren (70) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 aufweist, wenn dass Computerprogramm auf einem Koordinatenmessgerät (10) ausgeführt wird.
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