WO2017060454A1 - Verfahren zum vermessen eines messobjekts mit verbesserter messgenauigkeit und vorrichtung - Google Patents

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WO2017060454A1
WO2017060454A1 PCT/EP2016/074042 EP2016074042W WO2017060454A1 WO 2017060454 A1 WO2017060454 A1 WO 2017060454A1 EP 2016074042 W EP2016074042 W EP 2016074042W WO 2017060454 A1 WO2017060454 A1 WO 2017060454A1
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image
image sensor
measurement object
lens
objective
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PCT/EP2016/074042
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Philipp Jester
Frank Widulle
Wolfgang Singer
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Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh
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Publication date
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    • G01B9/08—Optical projection comparators
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    • G01N2201/12—Circuits of general importance; Signal processing
    • G01N2201/121—Correction signals

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for determining
  • the invention relates to a method for measuring a measuring object with a so-called profile projector, that is, with a measuring device that provides a two-dimensional image of the measuring object on a display, for example, to measure the position and / or the course of an object edge.
  • Profile projector generates a digital image of a measurement object and a drawing of the measurement object is superimposed on this image on a display in order to be able to check whether the measurement object matches the drawing within predefined workpiece tolerances.
  • an imaging lens of a real optical system and consequently also the camera of a real optical measuring device, always have aberrations due in part to manufacturing tolerances and partly to compromise optical design and / or fundamental physical phenomena.
  • the aberrations represent the deviation of the real imaging optics from an ideal, only theoretically possible optical imaging.
  • Typical aberrations include spherical aberration, astigmatism, coma, focal field deviation (FPD) and distortion. In order to increase the measuring accuracy of an optical measuring device, the aberrations can be corrected.
  • US 6,538,691 B1 describes a computer-implemented correction of
  • profile projectors are used as optical measuring devices for two-dimensional
  • Coordinate measurement and / or angle measurement of macroscopic measurement objects used can be carried out with a transmitted light illumination or a reflected light illumination.
  • coaxial incident illumination is often used to inspect and measure bores.
  • Typical measuring objects for profile projectors are flat components such as seals, saw blades or gears.
  • Classic analog profile projectors have since been replaced by digital profile projectors.
  • a telecentric illumination of the workpiece and a telecentric objective are used to image the light onto an image sensor.
  • the result of the telecentric lens is that the main rays in the object space are parallel and only main rays running parallel to a possible optical axis of the imaging lens are imaged onto the image sensor.
  • a magnification does not change along the optical axis.
  • telecentric lenses usually a telecentric range, typically several Rayleighinn is specified. Within this range can be measured with a certain accuracy. However, the best measurement accuracy usually becomes reached only in the focal plane, ie the plane from which the best figure on the
  • Image sensor takes place.
  • edges may be measured between different heights. Different inaccuracies can influence the measurements at different heights. These are on the one hand mechanical inaccuracies of the moving components, the measurement object or the imaging optics.
  • Fourth, higher order aberrations, such as coma, can affect the measurement result.
  • measurement objects are always measured "in one frame", i. all features of interest are captured within an image.
  • a contrast criterion is usually evaluated by means of manual focusing aid or by means of an autofocus method on one or more workpiece edges, and accordingly a setting is made for the measurement. Due to the above-mentioned errors, not all the features to be measured are necessarily in the focal plane thus determined, and the specified measurement accuracy is not achieved in all or even any of the features to be measured. For this reason, measurements of features at different axial heights, i. Heights along the optical axis of the lens, not possible or not possible with sufficient accuracy.
  • US 2007/02921 19 A1 and US Pat. No. 7,983,544 B2 show image recording cameras in which the image sensor can be displaced laterally, ie perpendicular to an optical axis of an objective or parallel to the sensor plane.
  • a method for determining a property of a measurement object, in particular a dimensional property of the measurement object comprising the following steps:
  • the measurement slide having a support surface for arranging the measurement object, and with an image capture device, the image capture device having an image sensor and an objective for imaging the measurement object on the image sensor, the objective being a two-sided telecentric objective, and wherein the image sensor is movable relative to the support surface;
  • the image sensor is moved axially within the image-side telecentric range of the objective.
  • Axial means that the sensor is moved parallel to an optical axis of the lens, if the lens has an optical axis.
  • the sensor is moved relative to the support surface perpendicular to its sensor plane.
  • the image sensor used is an image sensor with a plurality of sensor elements which form an array that lies on a sensor plane. The sensor is moved perpendicular to this sensor plane.
  • the measurement object carrier has a support surface for arranging the measurement object, and with an image acquisition device, wherein the image acquisition device comprises an image sensor and a lens for imaging the measurement object on the An image sensor, wherein the image sensor comprises a plurality of sensor elements which are arranged in a sensor plane, and wherein the lens is a double-sided telecentric lens, and wherein the image sensor is movable relative to the support surface perpendicular to the sensor plane.
  • the device may be a profile projector.
  • the measurement slide has a support surface for placing the measurement object, and with an image capture device, wherein the image capture device comprises an image sensor and a lens for imaging the measurement object on the image sensor, wherein the objective is a two-sided telecentric lens having an optical axis, and wherein the image sensor is movable relative to the support surface in parallel to an imaging beam path passing through the objective along the optical axis.
  • the image sensor has a plurality of sensor elements which are arranged in a sensor plane, and wherein the movement of the image sensor is carried out by moving the image sensor perpendicular to the sensor plane, in particular wherein the image sensor relative to the Support surface is moved
  • the movement of the image sensor is thus perpendicular to a sensor plane in which the sensor elements are arranged.
  • the image sensor may be formed as an array, in particular a CCD array, which has a plurality of sensor elements, in particular pixels, which are arranged in a two-dimensional arrangement. This then forms the sensor level.
  • the movement is perpendicular to the sensor plane.
  • the objective is a double-sided telecentric objective with an optical axis, and wherein the image sensor is moved by moving the image sensor parallel to an imaging beam path which passes through the objective along the optical axis, in particular, wherein the image sensor is moved relative to the support surface.
  • An optical axis is understood to be the direction in which a light beam passes through the objective without deflection.
  • the light beam passing through the objective along this optical axis is imaged onto the image sensor along an imaging beam path from the objective.
  • the sensor is then moved perpendicular to this imaging beam path. In other words, the movement of the sensor is thus parallel to an image-side telecentring of the lens.
  • the plurality of images forms an image stack, and wherein each image of the image stack is assigned a height coordinate representing the distance of the focal plane from the objective during the acquisition.
  • image stack thus refers to a plurality of images taken during the movement of the image sensor. These are recorded in different height coordinates of the focal plane. The plane of the best images is thus in different height coordinates or distances to the lens. This is usually expressed by the term picture stack.
  • a correction matrix can be deposited which has suitable correction values of an image acquired by means of the image sensor for correction, for example, the aberrations of the objective or lateral image displacements.
  • suitable correction values of an image acquired by means of the image sensor for correction for example, the aberrations of the objective or lateral image displacements.
  • the correction matrix makes it possible to correct the image for different positions of the image sensor.
  • the correction can thereby correct aberrations caused by the objective and / or also errors which possibly occur due to the movement of the image sensor, in particular lateral image shifts.
  • a calibration takes place before the step of arranging the measurement object, wherein the calibration comprises the following steps:
  • a suitable pattern of a chromium structure in different height coordinates or Z-heights can be measured.
  • a recording of a dot grid with subsequent evaluation of the pinpoint distortion can be done at any altitude. Height means here each position of the focal plane or position of the image sensor.
  • a suitable number of recordings can be made. For example, it may be provided to record every 20 mm displacement of the focal plane, in particular every 10 mm, in particular every 5 mm, in particular every 2 mm, in particular every 1 mm, in particular every 0.5 mm, in particular every 0.1 mm.
  • the lateral deviation of the image sensor during its movement can also be measured. From different errors, distortion maps can be created in an XY plane (sensor axis of the image sensor) for different Z-heights. From these, appropriate correction values can then be calculated.
  • each of the present correction at a height that comes closest to the height coordinate of the actual image acquisition.
  • the correction values are interpolated from the two correction information closest to the actual height of the image acquisition.
  • one of the altitude coordinates dinate or Z coordinate dependent correction proposed by means of a parameterized with respect to the height coordinate model.
  • At least one image of the acquired plurality of images is corrected by means of a correction matrix to provide at least one corrected image, in particular wherein each image of the image stack has a distance of the focal plane from associated with the lens during acquisition representing height coordinate, and wherein the correction matrix is provided with correction information for a plurality of different height coordinates.
  • the correction matrix provides correction information for a plurality of different height coordinates or Z coordinates along the telecentric range of the objective.
  • the method further comprises a step of determining the characteristic from the acquired plurality of images and / or comprising the at least one corrected image of the plurality of images.
  • the desired property of the measurement object can be determined from the images acquired during the movement of the image sensor, which were corrected for height coordinate dependent or sensor position dependent on the correction matrix. This can be done automatically, for example, by determining the image to be used for each feature based on a merit function.
  • the quality function may be, for example, a sharpening criterion or a contrast criterion, for example a brightness gradient over an edge or the like.
  • the at least one image error is a distortion and / or a lateral displacement of the image due to the movement of the image sensor. It is therefore possible, for example, to correct a distortion by means of the correction matrix or the correction information and / or a lateral shift of the image on the image sensor due to the movement of the image sensor can be corrected.
  • Correcting the at least one image is done by applying correction information provided for a height coordinate of the correction matrix closest to the height coordinate of the captured image.
  • the correction information may, for example, be a correction of the distortion and / or further image errors in an X-Y plane or sensor plane of the image sensor for a specific height coordinate or sensor position.
  • Correcting the at least one image is carried out by applying correction information interpolated from two correction information provided for two height coordinates of the correction matrix closest to the height coordinate of the image.
  • Correction matrix is provided as a parameterized with the height coordinate of the captured image model for the correction of at least one image defect, from which the Correction information for the respective captured image is determined based on the height coordinate of the respective captured image.
  • the representation of fixed height distortion maps in a parameterized model is advantageous in digital distortion correction.
  • the model of Brown and Conrady is often used, it applies
  • Ax (x, y, z) x (1 + K ⁇ (z) r 2 + K 2 (z) r 4 + 7)
  • Ay (x, y; z i ) y (l + K, (z.) R 2 + K 2 (z.) R 4 + 7)
  • Step of arranging a step of changing an optical working distance takes place by a relative movement between the measurement object and the image capture device takes place, in particular wherein the changing of the optical working distance is such that the measurement object, in particular the property to be determined, disposed within the object-side telecentric range of the lens is.
  • Step of correcting from the plurality of captured images the images necessary for the determination of the property are selected, and subsequently only the selected images are corrected, in particular wherein the selecting is performed by evaluating the plurality of images by means of a merit function.
  • the quality function may be, for example, a sharpening criterion or the like. In this way it can be avoided that the complete image stack must be corrected, and only those images are corrected in which it can be expected that a very good or best image of the feature to be detected has been applied to the image sensor.
  • Focal plane is a plane in an object space of the lens, from which by means of the lens is a best image on the image sensor. Basically, ideally viewed for a two-sided telecentric lens, an image of nearly constant quality due to the ideally afocal system is expected. In fact, however, there is a focal plane or plane from which a best image on the image sensor by means of the two-sided telecentric lens. This is referred to herein as the "focal plane" and is the plane that can be moved by moving the image sensor in the object space.
  • Device further comprises a transmitted light illumination device, in particular wherein the transmitted light illumination device provides a collimated illumination beam path.
  • the collimated illumination beam path improves in conjunction with the two-sided telecentric lens or imaging lens a highly accurate measurement by means of a profile projector.
  • the device may furthermore have incident light illumination means, in particular wherein the incident light illumination means provides incident light illumination coaxially to an optical axis of the objective and / or incident light illumination parallel to a main beam path in the object-side telecentrism area provides.
  • the illumination by a reflected light illumination device in particular with coaxial to the optical axis of the lens or imaging lens extending illumination beam path is possible.
  • Device further comprises a data processing device, which is adapted to carry out a method according to the first aspect of the invention or one of its embodiments on the device. In this way, the device can be designed in particular with the calibration method as described above.
  • Device further comprises a memory device on which a correction matrix is stored for correcting at least one aberration of an image captured by the image capture device, in particular wherein the correction matrix has correction information for correcting the at least one image defect for a plurality of magnitudes representing a position of the image sensor; in particular, wherein the size further represents a position of an object-side focal plane of the objective resulting from the position of the image sensor.
  • the size representing the position of the image sensor can be the position of the image sensor itself in the telecentric region of the objective. But also a position of the focal plane resulting from the position of the image sensor in the object-side telecentric region of the objective can be this size.
  • the lens has a plurality of lens elements, which are arranged one behind the other along a longitudinal axis of the lens, and wherein the image sensor is movable parallel to the longitudinal axis.
  • the objective is a lens designed for a plurality of refractive optical elements, in particular lens elements. These are rotationally symmetrical in the assembly. Along their rotational symmetry axis, they thus have an optical axis, since a light beam which passes through the lens elements along this axis is perpendicular to all surfaces of the lens elements. The radiating paths in the telecentric region then run parallel to this optical axis.
  • An imaging beam path running along the optical axis on the image sensor then runs parallel to the direction of movement of the image sensor.
  • the lens has an optical axis, wherein the image sensor is movable parallel to an imaging beam path which passes through the lens along the optical axis.
  • the image sensor is illuminated perpendicular to a sensor plane and moving the image sensor moves the focal plane as desired without changing the magnification in the object space.
  • Device further comprises a drive means for moving the image sensor.
  • the drive device should move the image sensor with high precision while accurately tracking the movement in its direction.
  • the drive device may be, for example, a piezoelectric motor, also called an ultrasonic motor or traveling wave motor.
  • the measurement object in the telecentricity range can be shifted in such a way that all features to be measured lie within the telecentricity range.
  • an edge or a feature of medium height can be selected. This is then shifted to the center of the telecentric range by changing the optical working distance by moving the target and the image pickup relative to each other.
  • all the features of the measurement object to be measured then lie within the telecentric range and are imaged optimally or optimally, at least in a height coordinate or on an image of the image stack detected by means of the image sensor.
  • first of all the images that are necessary for the measurement can be selected from the image stack. It can be as above described for example on the basis of a local sharpening criterion.
  • Image errors of these images necessary for the measurement are then corrected according to the parameterized calibration data or the correction matrix. It also corrects for each other the lateral offset of the images, which may have resulted from the movement of the image sensor. It is now possible to use the individual features of the measurement object in different height coordinates for the measurement with a very high measurement accuracy. In addition, the measurement can be done very quickly, since only a very small movement of the image sensor itself must be done in the object space.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an embodiment of a device
  • Fig. 2 shows an enlarged schematic view of the image pickup in the
  • FIG. 5 is a detailed flowchart of a calibration in the method of FIG.
  • FIG. 1 an embodiment of the new measuring device is designated in its entirety by the reference numeral 10.
  • the measuring device 10 has a workpiece table 12 with a bearing surface 13, on which a measuring object 14 is arranged here.
  • the reference numeral 16 denotes an area of interest (ROI) in which, for example, an edge of the measuring object 14 extends. For example, the position of the edge and / or the edge course should be measured.
  • ROI area of interest
  • a camera arranged with an image sensor 20 and a lens or an imaging optics 22.
  • the image capture device 18 looks so here from above perpendicular to the measurement object 14, which is a typical arrangement for such instruments.
  • the image capture device 18 or a further image capture device could be arranged in a different orientation relative to the measurement object.
  • the image sensor 20 is in the preferred embodiments, a CMOS or CCD sensor having a plurality of arranged in a sensor plane sensor elements, for example, with a plurality of pixels arranged in a matrix.
  • the objective 22 is a double-sided, i. on the object side and on the image side, telecentric lens.
  • the objective 22 has optical elements (not shown here), in particular lenses, with the aid of which the measurement object 14 is imaged on the image sensor 20 in a manner known per se.
  • the mapping is not ideal in reality, i.
  • the objective 22 has design-related and / or individual aberrations that result in the image of the measuring object 14 taken by the image sensor 20 deviating from the real measuring object 14.
  • the objective 22 may have a focus-dependent distortion. Due to the distortion, the edge may be shifted, twisted and / or distorted in the image of the image capture device 18, which is disadvantageous in terms of measurement accuracy. Therefore, in order to increase the measurement accuracy, it is intended to computationally correct the image taken by the image sensor 20 on the basis of calibration values.
  • the calibration values are determined, for example, on a reference measurement object, for example a chrome grid, with known dimensional properties.
  • the image capture device 18 has an adjustable working position or an adjustable working distance 24 relative to the workpiece table 12 and the measurement object 14 arranged thereon.
  • the working distance can be understood herein to mean the optical working distance, ie the distance between the measurement object 14 and the first interference contour of the objective 22.
  • the image detection device 18 can be moved perpendicular to the workpiece table 12, which is indicated here by an arrow 25. Usually, this adjustment direction is referred to as Z-axis 42.
  • the image capture device 18 may also be moved relative to the workpiece table 12 and the measurement object 14 in a horizontal plane, typically referred to as an XY plane. In other preferred embodiments, the image capture device 18 and the workpiece table 12 may be rigidly disposed in the XY plane.
  • the reference numeral 26 denotes a lighting device, which is arranged here below the workpiece table 12. Accordingly, the workpiece table 12 is at least partially translucent in this embodiment.
  • the measurement object 14 is here arranged between the image capture device 18 and the illumination unit 26, so that the image capture device 18 receives the workpiece 14 with a so-called transmitted light illumination.
  • the measuring device 10 may have a so-called incident illumination in further embodiments, with which the measurement object 14 is illuminated from above or obliquely to the viewing direction of the image capture device 18.
  • Illuminator 26 may include optics 29 to provide telecentric illumination, i. a collimated beam path for illumination of the measuring object 14.
  • the collimation direction or telecentring direction of the illumination device 26 corresponds to the telecentring direction of the objective 22, i. especially the Z-direction.
  • the reference numeral 28 designates an evaluation and control unit or data processing device.
  • the evaluation and control unit 28 controls the working position of the image capture device 18 relative to the measurement object 14 as well as the image acquisition.
  • the evaluation and control unit 28 makes it possible to evaluate the image and thus to determine measured values that match the sought-after dimensional eigenvalues. represent shadow of the measurement object.
  • the evaluation and control unit 28 carries out the correction of the image recorded by the image acquisition device 18 on the basis of the calibration values or the correction information.
  • the evaluation and control unit has a processor 30 and one or more memories which are communicatively connected to the processor 30.
  • a first memory 32 is shown in which the correction information is stored which corrects the aberrations of the objective 22 for different positions of the focal plane or of the image sensor 20.
  • the correction information in the memory 32 thus enables a computational correction of these aberrations.
  • An evaluation and control program can also be stored in the memory 32, which causes the processor 30 to carry out the control of the image capture device 18 and the evaluation of the recorded images.
  • Reference numeral 34 denotes a display which on the one hand represents an interface by means of which an operator can define one or more interest areas 16.
  • the display 34 is a touch-screen monitor, and the operator may, for example, set one or more areas of interest 16 from the measurement object 14 based on a displayed image 36.
  • the definition of areas of interest may be based on CAD data representing desired properties of the measurement object 14.
  • a current image of the measurement object 14 can be displayed on the display 34, and the operator can define interest areas 16 based on the current image. It is understood that as an alternative or in addition to a touch screen monitor, operation via a mouse and / or keyboard or another input medium is possible, for example by means of an input device 38.
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the area of the image recording in the device according to FIG. 1.
  • FIG. The image sensor 20 has a plurality of sensor elements 21, which in a
  • the objective 22 is designed as a telecentric objective on both sides and has an optical axis 42.
  • the objective 22 has an image-side telecentric region 44 and an object-side telecentric region 46.
  • the measurement object 14 is arranged in the object-side telecentric region 46. It is arranged on the bearing surface 13 of the measuring object carrier 12 or the workpiece holder 12.
  • the image sensor 20 is movable by means of a drive device 52 parallel to the optical axis 42, as shown by an arrow 54. This means that the image sensor 20 is movable parallel to an imaging beam path 58 which extends along the optical axis 42.
  • the optical axis is perpendicular to the sensor plane 48.
  • the focal plane 50 i. to shift the plane of best image from the object space onto the image sensor 20 along the optical axis 42, as shown by an arrow 56.
  • the directions 56 and 54 are parallel to each other.
  • the focal plane 50 can be moved over the entire object-side telecentric region 46 and the measurement object 14.
  • An enlargement of the lens 22 leveres the path square. For example, with a magnification ratio 1: 3, a movement of the
  • Image sensor 20 by 1 mm already cause a shift of the focal plane in the object space by 9 mm.
  • the focal plane 50 it is possible to move the focal plane 50 over the entire measuring object 14 by movement of the image sensor 20 only by a minimum path length and without further adaptation of the objective 22 or the relative positioning of the objective 22 relative to the measuring object 14. This is possible due to the two-sided telecentricity of the object 22.
  • the movement of the image sensor 20 then takes the recording of a defined plurality of images. From these images, which form a stack of images, it is then possible, for a corresponding feature of the measurement object 14, to select the image which best represents this corresponding feature. This can be done for example by means of a local sharpening criterion. In this way, a kind of autofocus method can be provided which can be carried out very quickly. through one in the memory 32 of the data processing device 28 or evaluation and
  • Control means 28 stored correction matrix, the particularly selected image can be corrected, which has correction information for each position of the focal plane 50 in the object-side telecentric 46, the correction matrix due to the previously performed calibration.
  • Figures 3a to 3c show different height-dependent distortion maps as an example.
  • a correction can be made over the entire image sensor.
  • the distortion or any other aberration can be detected and stored.
  • a three-dimensional map of the aberrations can thus be generated Z dependent and a corresponding correction matrix can be created from this.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the method 100.
  • a step 102 first a device with a measuring object carrier
  • the measuring object carrier has a support surface for arranging the measurement object, and with an image acquisition device, wherein the image acquisition device has an image sensor or a lens for imaging the measurement object on the image sensor, wherein the lens is a two-sided telecentric lens, and wherein the image sensor relative to the support surface is movable.
  • step 104 of calibrating the device to provide a correction matrix of at least one image defect by means of the correction matrix. Details of this step are described below with reference to FIG. 5. Also, lateral image shifts due to the movements of the image sensor 20 may be taken into account.
  • a step 108 the measuring object is then placed on the support surface.
  • step 1 10 of moving the image sensor relative to the measurement object in a image-side telecentric range of the objective such that the focal plane imaged on the image sensor by means of the objective is moved by a section at least partially having the measurement object as the object-side telecentric region of the objective , In particular, the focal plane is moved through the entire telecentric region or object-side telecentric region of the objective.
  • step 1 12 during the movement of the image sensor in step 1 10, the acquisition of a plurality of images of the measurement object to form the image stack takes place.
  • those images can then be selected from this image stack which best represent the features to be measured on the basis of a quality function, for example a local sharpening criterion.
  • Correction matrix corrected In principle, it may alternatively also be provided to correct all images of the image stack.
  • the property in particular the dimensional property of the measurement object, is ultimately determined on the basis of the detected features.
  • Dimensional properties designate coordinate positions, lengths, angles or other variables resulting from the actual dimensions or geometry of the workpiece.
  • Step 104 is shown.
  • a reference object is provided in an object-side telecentric region of the objective.
  • the reference object may be, for example, a chrome grid.
  • the image sensor is moved relative to the reference object in an image-side telecentring region of the objective such that a focal plane imaged on the image sensor by the objective is moved by the reference object in the object-side telecentric region of the object.
  • a plurality of calibration images of the reference object are then acquired by the image acquisition device during the step of moving the image sensor relative to the reference object, each calibration image being assigned a height coordinate representing the distance of the focal plane from the objective during the acquisition of the respective calibration image ,
  • a step 126 at least one image defect and / or one lateral image is then generated
  • a correction matrix for correcting the particular image errors i. the aberration of the lens and / or the lateral displacement of the image sensor resulting errors.
  • a three-dimensional correction matrix whose XY coordinate plane describes the plane of the image sensor and the Z position represents the position of the image sensor or the resulting position of the focal plane 50 in the object region.
  • Method (100) for determining a property of a measurement object (14), in particular a dimensional property of the measurement object (14), comprising the following steps: Providing (102) a device (10) with a measurement object carrier (12), wherein the measurement object carrier (12) has a support surface (13) for arranging the measurement object (14), and with image acquisition device (18), the image acquisition device (18 ), an image sensor (20) and a lens (22) for imaging the measuring object (14) on the image sensor (20), wherein the lens (22) is a two - sided telecentric lens (22), and wherein the image sensor (20) relative to the support surface (13) is movable;
  • Lens (22) is a double-sided telecentric lens (22) having an optical axis (42), and wherein the moving of the image sensor (20) takes place by the
  • Image sensor (20) is moved parallel to an imaging beam path, which passes through the lens (22) along the optical axis (42), in particular wherein the image sensor (20) is moved relative to the support surface (13).
  • Clause clause 4. A method according to any one of clauses 1 to 3, characterized in that the plurality of images form an image stack, and wherein each image of the image stack is a distance of the focal plane (50) from the lens (22) during the acquisition representing height coordinate (70) is assigned.
  • Acquiring (124) a plurality of calibration images of the reference object by the image capture device (18) during the step of moving the image sensor (20) relative to the reference object, wherein each calibration image has a distance of the focal plane (50) from the objective (22) assigned to the detection of the respective calibration image height coordinate (70) is assigned;
  • Clause 7 Method according to one of the clauses 1 to 6, characterized in that after the step of detecting a correction of at least one image of the detected plurality of images by means of a correction matrix to provide at least one corrected image, in particular wherein each image of the image stack associating a height coordinate (70) representing the distance of the focal plane (50) from the lens (22) during acquisition, and wherein the correction matrix is provided with correction information for a plurality of different height coordinates (70).
  • Clause 8 A method according to any of clauses 1 to 7, characterized in that the method further comprises a step of determining the characteristic from the acquired plurality of images and / or comprising the at least one corrected image of the plurality of images.
  • Clause 9 Method according to one of the clauses 5 to 8, characterized in that the at least one aberration is a distortion and / or a lateral displacement of the image due to the movement of the image sensor (20).
  • Clause 10 Method according to one of the clauses 7 to 9, characterized in that the correction of the at least one image is carried out by applying a correction information provided for a height coordinate (70) of the correction matrix corresponding to the height coordinate (70) of the correction matrix captured image comes closest.
  • Clause 1 1. Method according to one of the clauses 7 to 9, characterized in that the correction of the at least one image takes place in which a correction information is applied, which is interpolated from two correction information which for two of the height coordinate (70) of the image closest to the height coordinates (70) the correction matrix are provided. Clause 12. Method according to one of clauses 7 to 9, characterized in that the correction matrix is provided as a model parameterized with the height coordinate (70) of the acquired image for the correction of the at least one image defect, from which the correction information for the respective detected Image is determined based on the height coordinate (70) of the respective captured image.
  • Clause 13 Method according to one of the clauses 1 to 12, characterized in that after the step of arranging a step of changing an optical working distance takes place by a relative movement between the measuring object (14) and the image detecting device (18), in particular wherein the Changing the optical working distance takes place in such a way that the measurement object (14), in particular the property to be determined, is arranged within the object-side telephoto range (46) of the objective (22).
  • Clause 14 A method according to any one of clauses 7 to 12, characterized in that prior to the step of correcting from the plurality of acquired images the images necessary for the determination of the property are selected, and subsequently only the selected images are corrected, in particular the selection is performed by evaluating the plurality of images by means of a merit function.
  • Clause 16 Method according to one of the clauses 1 to 15, characterized in that the device (10) further comprises a transmitted light illumination device (26), in particular wherein the transmitted light illumination device provides a collimated illumination beam path.
  • the device (10) further comprises a reflected-light illumination device, in particular wherein the epi-illumination device provides epi-illumination coaxial with an optical axis (42) of the objective (22) and / or provides epi-illumination parallel to a main beam path in the object-side telecentric region (46).
  • a measurement object (14) in particular a dimensional property of the measurement object (14), having a measurement object carrier (12), the measurement object carrier (12) having a support surface (13) for arranging the measurement object (14), and an image acquisition device (18 ), wherein the image capture device (18) has an image sensor (20) and a lens (22) for imaging the measurement object (14) on the image sensor (20), wherein the image sensor (20) comprises a plurality of sensor elements that are in a sensor plane (21) are arranged, and wherein the lens (22) is a two-sided telecentric lens (22), characterized in that the image sensor (20) relative to the support surface (13) perpendicular to the sensor plane (21) is movable.
  • Device (10) further comprises a data processing device, which is adapted to carry out a method according to one of the clauses 1 to 17 on the device (10).
  • Device (10) according to clause 18 or 19, characterized in that the device (10) further comprises a memory device on which a correction matrix for correcting at least one aberration of an image acquisition device (18) captured image is stored, in particular wherein the correction matrix has correction information for correcting the at least one image defect for a plurality of variables representing a position of the image sensor (20), in particular wherein the size further comprises a position of an object-side focal plane resulting from the position of the image sensor (20). 50) of the objective (22).
  • the device (10) further comprises a memory device on which a correction matrix for correcting at least one aberration of an image acquisition device (18) captured image is stored, in particular wherein the correction matrix has correction information for correcting the at least one image defect for a plurality of variables representing a position of the image sensor (20), in particular wherein the size further comprises a position of an object-side focal plane resulting from the position of the image sensor (20). 50) of the objective (22).
  • the objective (22) has a plurality of lens elements which are arranged behind one another along a longitudinal axis of the objective (22), and wherein the image sensor (20) is parallel to the Longitudinal axis is movable.
  • Image sensor (20) parallel to an imaging beam path (58) is movable, which passes through the lens (22) along the optical axis (42).
  • Device (10) according to one of the clauses 18 to 22, characterized in that the device (10) further comprises a drive device (52) for moving the image sensor (20).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Eigenschaft eines Messobjekts (14), insbesondere einer dimensionalen Eigenschaft des Messobjekts (14), mit den Schritten des Bereitstellens einer Vorrichtung (10), insbesondere eines Profilprojektors, mit einem Messobjektträger (12), wobei der Messobjektträger (12) eine Auflagefläche (13) zum Anordnen des Messobjekts (14) aufweist, und mit einer Bilderfassungseinrichtung (18), wobei die Bilderfassungseinrichtung (18) einen Bildsensor (20) und ein Objektiv (22) zum Abbilden des Messobjekts (14) auf den Bildsensor (20) aufweist, wobei das Objektiv (22) ein beidseitig telezentrisches Objektiv (22) ist, und wobei der Bildsensor (20) relativ zu der Auflagefläche (13) bewegbar ist; des Anordnens des Messobjekts (14) auf der Auflagefläche (13), des Bewegens des Bildsensors (20) relativ zu dem Messobjekt (14) in einem bildseitigen Telezentriebereich (44) des Objektivs (22) derart, dass eine auf den Bildsensor (20) mittels des Objektivs (22) abgebildete Fokalebene (50) durch einen das Messobjekt (14) zumindest teilweise aufweisenden Abschnitt eines objektseitigen Telezentriebereichs (46) des Objektivs (22) bewegt wird; und des Erfassens einer Mehrzahl von Bildern des Messobjekts (14) mittels der Bilderfassungseinrichtung (18) während des Schrittes des Bewegens des Bildsensors (20) relativ zu dem Messobjekt (14). Des Weiteren wird eine Vorrichtung (10), insbesondere ein verbesserter Profilprojektor bereitgestellt.

Description

Verfahren zum Vermessen eines Messobjekts mit verbesserter Messgenauigkeit und
Vorrichtung
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von
Eigenschaften eines Messobjekts. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen eines Messobjekts mit einem sogenannten Profilprojektor, das heißt mit einem Messgerät, das ein zweidimensionales Bild des Messobjekts auf einer Anzeige bereitstellt, um beispielsweise die Position und/oder den Verlauf einer Objektkante zu messen.
[0002] Ein Beispiel eines digitalen Profilprojektors ist in US 2010/0225666 A1 offenbart. Dieser
Profilprojektor erzeugt ein digitales Bild von einem Messobjekt, und eine Zeichnung des Messobjekts wird diesem Bild auf einer Anzeige überlagert, um prüfen zu können, ob das Messobjekt innerhalb von vordefinierten Werkstücktoleranzen mit der Zeichnung übereinstimmt. Es ist bekannt, dass ein Abbildungsobjektiv eines realen optischen Systems und folglich auch die Kamera eines realen optischen Messgerätes stets Abbildungsfehler besitzen, die zum Teil auf Fertigungstoleranzen und zum Teil auf Kompromisse beim Optikdesign und/oder auf grundlegende physikalische Phänomene zurückzuführen sind. Die Abbildungsfehler repräsentieren die Abweichung der realen Abbildungsoptik von einer idealen, nur theoretisch möglichen optischen Abbildung. Typische Abbildungsfehler sind sphärische Aberration, Astigmatismus, Koma, Bildfeldwölbung (Focal Plane Deviation, FPD) und Verzeichnung. Um die Messgenauigkeit eines optischen Messgerätes zu erhöhen, können die Abbildungsfehler korrigiert werden.
[0004] Beispielsweise beschreibt US 6,538,691 B1 eine computerimplementierte Korrektur von
Bildverzeichnungen einer digitalen Kamera.
[0005] Insbesondere werden Profilprojektoren als optische Messgeräte zur zweidimensionalen
Koordinatenmessung und/oder Winkelmessung von makroskopischen Messobjekten verwendet. Die Messungen können mit einer Durchlichtbeleuchtung oder einer Auflichtbeleuchtung durchgeführt werden. Oftmals werden darüber hinaus koaxiale Auflichtbeleuchtungen zur Inspektion und Messung von Bohrungen eingesetzt. Typische Messobjekte für Profilprojektoren sind flache Bauteile wie Dichtungen, Sägeblätter oder Zahnräder.
Klassische analoge Profilprojektoren wurden mittlerweile durch digitale Profilprojektoren abgelöst. Zur Sicherstellung der Messgenauigkeit eines digitalen Profilprojektors werden üblicherweise eine telezentrische Beleuchtung des Werkstücks und ein telezentrisches Objektiv zur Abbildung des Lichts auf einen Bildsensor verwendet. Das telezentrische Objektiv hat zur Folge, dass die Hauptstrahlen im Objektraum parallel verlaufen und nur parallel zu einer etwaigen optischen Achse des Abbildungsobjektivs verlaufende Hauptstrahlen auf den Bildsensor abgebildet werden. Idealerweise verändert sich ein Abbildungsmaßstab entlang der optischen Achse nicht.
[0007] Für telezentrische Objektive wird üblicherweise ein Telezentriebereich, typischerweise mehrere Rayleighlängen angegeben. Innerhalb dieses Bereichs kann mit einer bestimmten Genauigkeit gemessen werden. Die beste Messgenauigkeit wird üblicherweise jedoch nur in der Fokalebene erreicht, d.h. der Ebene, aus der die beste Abbildung auf den
Bildsensor erfolgt.
[0008] In der Regel wird jedoch über den gesamten Telezentriebereich eine gleichbleibende
Messgenauigkeit für flache Werkstücke erwartet. Darüber hinaus kann es abhängig von der Messaufgabe auftreten, dass Kanten zwischen verschiedenen Höhen zu messen sind. Dabei können verschiedene Ungenauigkeiten die Messungen in verschiedenen Höhen beeinflussen. Dies sind zum einen mechanische Ungenauigkeiten der bewegten Bauteile, des Messobjekts oder der Abbildungsoptik. Zum zweiten existiert eine feldabhängige Variation des Fokuspunktes des Abbildungsobjektivs, insbesondere Bildfeldkrümmung oder die sogenannten "focal plane deviation" bzw. Fokalebenenabweichung. Zum dritten können Telezentriefehler des Abbildungsobjektivs vorliegen. Zum vierten können Abbildungsfehler höherer Ordnung, wie beispielsweise Koma, das Messergebnis beeinflussen.
[0009] Häufig ist bei digitalen Profilprojektoren nicht vorgesehen, das Messobjekt gegen die
Optik lateral zu verschieben. Daher werden Messobjekte stets "in einem Bild" gemessen, d.h. alle interessierenden Merkmale werden innerhalb eines Bildes erfasst. Hierfür wird üblicherweise ein Kontrastkriterium per manueller Fokussierhilfe oder mittels eines Autofokusverfahrens an einer oder mehreren Werkstückkanten ausgewertet und entsprechend eine Einstellung zur Messung vorgenommen. Aufgrund der voranstehend benannten Fehler sind jetzt nicht notwendigerweise alle zu messenden Merkmale in der so bestimmten Fokalebene und die spezifizierte Messgenauigkeit wird nicht bei allen oder sogar bei keinem der zu messenden Merkmale erreicht. Aus diesem Grund sind Messungen von Merkmalen in verschiedenen axialen Höhen, d.h. Höhen entlang der optischen Achse des Objektivs, nicht möglich bzw. nicht mit ausreichender Genauigkeit möglich.
[0010] Die Druckschriften US 2007/02921 19 A1 und US 7 983 544 B2 zeigen Bildaufnahmekameras, in denen der Bildsensor lateral, d.h. senkrecht zu einer optischen Achse eines Objektivs bzw. parallel zu der Sensorebene, verschoben werden kann. [0011] Angesichts dessen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die eine in Bezug auf Messzeit und Kosten effiziente Messung an einem Messobjekt mit hoher Messgenauigkeit ermöglichen.
[0012] Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird daher ein Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Messobjekts bereitgestellt, insbesondere einer dimensionalen Eigenschaft des Messobjekts, mit den folgenden Schritten:
• Bereitstellen einer Vorrichtung mit einem Messobjektträger, wobei der Messobjektträger eine Auflagefläche zum Anordnen des Messobjekts aufweist, und mit einer Bilderfassungseinrichtung, wobei die Bilderfassungseinrichtung einen Bildsensor und ein Objektiv zum Abbilden des Messobjekts auf den Bildsensor aufweist, wobei das Objektiv ein beidseitig telezentrisches Objektiv ist, und wobei der Bildsensor relativ zu der Auflagefläche bewegbar ist;
• Anordnen des Messobjekts auf der Auflagefläche;
• Bewegen des Bildsensors relativ zu dem Messobjekt in einem bildseitigen Telezentrie- bereich des Objektivs derart, dass eine auf den Bildsensor mittels des Objektivs abgebildete Fokalebene durch einen das Messobjekt zumindest teilweise aufweisenden Abschnitt eines objektseitigen Telezentriebereichs des Objektivs bewegt wird;
• Erfassen einer Mehrzahl von Bildern des Messobjekts mittels der Bilderfassungseinrichtung während des Schrittes des Bewegens des Bildsensors relativ zu dem Messobjekt.
[0013] Mittels der Erfindung wird es ermöglicht, über den gesamten Telezentriebereich des
Objektivs mit einer gleichbleibend hohen Messgenauigkeit zu messen. Wie im Folgenden noch im Detail erläutert wird, können die vorstehend genannten Probleme zusätzlich durch eine Kombination aus einem schnellen und reproduzierbaren Autofokusverfahren und einer digitalen höhenabhängigen bzw. Z-abhängigen Verzeichnungskorrektur bzw.
Abbildungsfehlerkorrektur der Bilder beseitigt werden.
[0014] Es wird ein beidseitig telezentrisches Objektiv genutzt. Der Bildsensor wird innerhalb des bildseitigen Telezentriebereichs des Objektivs axial verfahren. Axial bedeutet hierbei, dass der Sensor parallel zu einer optischen Achse des Objektivs bewegt wird, sofern das Objektiv eine optische Achse aufweist. Insbesondere wird der Sensor relativ zu der Auflagefläche senkrecht zu seiner Sensorebene verfahren. Üblicherweise wird als Bildsensor ein Bildsensor mit mehreren Sensorelementen verwendet, die ein Array bilden, das auf einer Sensorebene liegt. Der Sensor wird senkrecht zu dieser Sensorebene verfahren. Die Erfindung macht sich jeweils zunutze, dass durch ein Bewegen des Bildsensors sehr schnell eine Vielzahl von Bildern aufgenommen werden kann, wobei die Fokalebene bzw. die Ebene, aus der die beste Abbildung auf den Bildsensor erfolgt, nur in Z-Richtung bzw. parallel zu der optischen Achse des Objektivs schnell bewegt wird. Es wird zudem ein beidseitig telezentrisches Objektiv verwendet. Dies ist ein sogenanntes afokales System. Sowohl die Eintrittspupille als auch die Austrittspupille des Objektivs liegen im Unendlichen. Eine bildseitige Verschiebung des Bildsensors innerhalb des Telezentrierbereichs um eine bestimmte Strecke ΔΖΒΜ führt zu einer Verschiebung der Fokalebene um AZobjekt = m2 - AZBiid- Dabei ist m die Vergrößerung des Objektivs. Diese hebelt somit quadratisch die Bewegung der Fokalebene. Es sind daher nur sehr kleine Verschiebungen des Bildsensors entlang der optischen Achse bzw. senkrecht zu seiner Sensorebene notwendig, um die Fokalebene durch den gesamten objektseitigen Tele- zentrierbereich des Objektivs hindurchzubewegen.
[0015] Auf diese Weise wird es möglich, in sehr kurzer Zeit einen Bildstapel über den gesamten objektivseitigen Telezentriebereich des Objektivs aufzunehmen. Wie im Folgenden noch erläutert wird, können aus diesem dann diejenigen Bilder ausgewählt werden, in denen die gewünschten Merkmale am besten abgebildet sind, beispielsweise anhand der Auswertung einer Gütefunktion, wie etwa einem Kontrastkriterium.
[0016] Dies ermöglicht es, auch Merkmale in unterschiedlichen Höhen sehr schnell zu
vermessen. Insbesondere bietet dies den Vorteil, dass keinerlei Bewegungen des Mess- Objekts selbst notwendig sind. Auch keinerlei Bewegungen der Bildaufnahmeeinrichtung als solches oder des Objektivs sind notwendig. Es wird lediglich der Bildsensor innerhalb der Bildaufnahmeeinrichtung verschoben. Auch optische Verstellungen des Objektivs sind nicht notwendig. Dies beschleunigt den gesamten Messvorgang erheblich. Die Bildaufnahme in unterschiedlich gelegenen Fokalebenen kann, wie nachfolgend noch detaillierter beschrieben werden wird, unter Nutzung einer Datenverarbeitungseinrichtung korrigiert werden. Insbesondere können hierfür, wie im Folgenden ebenfalls noch detaillierter erläutert wird, die Bildfehler zuvor anhand eines Referenzobjekts höhenkoordinatenab- hängig bzw. abhängig von der Position der Fokalebene oder des Bildsensors erfasst und in einer Korrekturmatrix abgelegt werden.
[0017] Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung kann des Weiteren eine Vorrichtung zum
Bestimmen einer Eigenschaft eines Messobjekts, insbesondere einer dimensionalen Eigenschaft eines Messobjekts, bereitgestellt sein, mit einem Messobjektträger, wobei der Messobjektträger eine Auflagefläche zum Anordnen des Messobjekts aufweist, und mit einer Bilderfassungseinrichtung, wobei die Bilderfassungseinrichtung einen Bildsensor und ein Objektiv zum Abbilden des Messobjekts auf den Bildsensor aufweist, wobei der Bildsensor eine Mehrzahl von Sensorelementen aufweist, die in einer Sensorebene angeordnet sind, und wobei das Objektiv ein beidseitig telezentrisches Objektiv ist, und wobei der Bildsensor relativ zu der Auflagefläche senkrecht zu der Sensorebene bewegbar ist. Insbesondere kann die Vorrichtung ein Profilprojektor sein.
[0018] Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bestimmen einer
Eigenschaft eines Messobjekts bereitgestellt, insbesondere einer dimensionalen Eigenschaft eines Messobjekts, mit einem Messobjektträger, wobei der Messobjektträger eine Auflagefläche zum Anordnen des Messobjekts aufweist, und mit einer Bilderfassungseinrichtung, wobei die Bilderfassungseinrichtung einen Bildsensor und ein Objektiv zum Abbilden des Messobjekts auf den Bildsensor aufweist, wobei das Objektiv ein beidseitig telezentrisches Objektiv mit einer optischen Achse ist, und wobei der Bildsensor relativ zu der Auflagefläche parallel zu einem Abbildungsstrahlengang bewegbar ist, der das Objektiv entlang der optischen Achse durchläuft.
[0019] Die eingangs gestellte Aufgabe wird daher vollkommen gelöst. In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Bildsensor eine Mehrzahl von Sensorelementen aufweist, die in einer Sensorebene angeordnet sind, und wobei das Bewegen des Bildsensors erfolgt, indem der Bildsensor senkrecht zu der Sensorebene bewegt wird, insbesondere wobei der Bildsensor relativ zu der Auflagefläche bewegt wird
Die Bewegung des Bildsensors erfolgt also senkrecht zu einer Sensorebene, in der die Sensorelemente angeordnet sind. Beispielsweise kann der Bildsensor als Array, insbesondere ein CCD-Array, ausgebildet sein, das eine Vielzahl von Sensorelementen, insbesondere Pixeln aufweist, die in einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet sind. Diese bildet dann die Sensorebene aus. Die Bewegung erfolgt senkrecht zu der Sensorebene.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Objektiv ein beidseitig telezentrisches Objektiv mit einer optischen Achse ist, und wobei das Bewegen des Bildsensors erfolgt, indem der Bildsensor parallel zu einem Abbildungsstrahlengang bewegt wird, der das Objektiv entlang der optischen Achse durchläuft, insbesondere wobei der Bildsensor relativ zu der Auflagefläche bewegt wird.
Unter einer optischen Achse wird diejenige Richtung verstanden, in der ein Lichtstrahl das Objektiv ohne Ablenkung durchtritt. Der entlang dieser optischen Achse durch das Objektiv durchtretende Lichtstrahl wird entlang eines Abbildungsstrahlengangs von dem Objektiv auf den Bildsensor abgebildet. Senkrecht zu diesem Abbildungsstrahlengang wird der Sensor dann bewegt. Mit anderen Worten erfolgt die Bewegung des Sensors somit parallel zu einer bildseitigen Telezentrierrichtung des Objektivs.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Mehrzahl von Bildern einen Bildstapel ausbildet, und wobei jedem Bild des Bildstapels eine den Abstand der Fokalebene von dem Objektiv während der Erfassung repräsentierende Höhenkoordinate zugeordnet wird. Der Begriff Bildstapel bezeichnet somit eine Mehrzahl von Bildern, die während der Bewegung des Bildsensors aufgenommen wird. Diese werden in unterschiedlichen Höhenkoordinaten der Fokalebene aufgenommen. Die Ebene der besten Abbildungen liegt somit in verschiedenen Höhenkoordinaten bzw. Abständen zum Objektiv. Dies wird üblicherweise mit dem Begriff Bildstapel ausgedrückt.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass vor dem Schritt des Anordnens des Messobjekts ein Kalibrieren der Vorrichtung zur Bereitstellung einer Korrekturmatrix und zur Korrektur zumindest eines Bildfehlers mittels der Korrekturmatrix erfolgt.
Durch die Kalibrierung kann eine Korrekturmatrix hinterlegt werden, die geeignete Korrekturwerte eines mittels des Bildsensors erfassten Bildes zur Korrektur bspw. der Abbildungsfehler des Objektivs oder laterale Bildverschiebungen aufweist. Auf diese Weise kann eine schnelle Korrektur der Bildfehler für verschiedene Lagen der Fokalebene erfolgen. Mit anderen Worten wird mittels der Korrekturmatrix ermöglicht, für unterschiedliche Positionen des Bildsensors eine Korrektur des Bildes vorzunehmen. Die Korrektur kann dabei Abbildungsfehler durch das Objektiv korrigieren und/oder auch Fehler, die gegebenenfalls aufgrund der Bewegung des Bildsensors auftreten, insbesondere laterale Bildverschiebungen.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass vor dem Schritt des Anordnens des Messobjekts ein Kalibrieren erfolgt, wobei das Kalibrieren die folgenden Schritte aufweist:
• Bereitstellen eines Referenzobjekts in einem objektseitigen Telezentriebereich des Objektivs;
• Bewegen des Bildsensors relativ zu dem Referenzobjekt in einem bildseitigen Telezentriebereich des Objektivs derart, dass eine auf den Bildsensor mittels des Objektivs abgebildete Fokalebene durch das Referenzobjekt in dem objektseitigen Telezentriebereich des Objektivs bewegt wird; • Erfassen einer Mehrzahl von Kalibrierbildern des Referenzobjekts mittels der Bilderfassungseinrichtung während des Schrittes des Bewegens des Bildsensors relativ zu dem Referenzobjekt, wobei jedem Kalibrierbild eine den Abstand der Fokalebene von dem Objektiv während der Erfassung des jeweiligen Kalibrierbildes repräsentierende Höhenkoordinate zugeordnet wird;
• Bestimmen zumindest eines Bildfehlers in jedem der Kalibrierbilder durch einen
Vergleich mit dem Referenzobjekt; und
• Bestimmen einer Korrekturmatrix zur Korrektur der bestimmten Bildfehler.
[0029] Zur Bestimmung der Bildfehler innerhalb des Telezentriebereichs des Objektivs kann beispielsweise ein geeignetes Muster einer Chromstruktur in verschiedenen Höhenkoordinaten bzw. Z-Höhen gemessen werden. Beispielsweise kann eine Aufnahme eines Punktgitters mit anschließender Auswertung der punktgenauen Verzeichnung in jeder Höhe erfolgen. Höhe meint hierbei jede Lage der Fokalebene bzw. Position Bildsensors. Je nach Variation der Bildfehler innerhalb des Telezentriebereichs kann eine geeignete Anzahl von Aufnahmen vorgenommen werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, alle 20 mm Verschiebung der Fokalebene eine Bildaufnahme vorzunehmen, insbesondere alle 10 mm, insbesondere alle 5 mm, insbesondere alle 2 mm, insbesondere alle 1 mm, insbesondere alle 0,5 mm, insbesondere alle 0,1 mm. Neben den Bildfehlern kann außerdem die laterale Abweichung des Bildsensors während seiner Bewegung gemessen werden. Aus unterschiedlichen Fehlern können Verzeichnungskarten in einer X- Y-Ebene (Sensorachse des Bildsensors) für verschiedene Z-Höhen erstellt werden. Aus diesen lassen sich dann entsprechende Korrekturwerte errechnen.
[0030] Für die durchzuführende Korrektur werden im Folgenden verschiedene Möglichkeiten vorgeschlagen. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, jeweils die vorliegende Korrektur in einer Höhe zu nutzen, die der Höhenkoordinate der tatsächlichen Bildaufnahme am nächsten kommt. Es kann aber beispielsweise vorgesehen sein, dass die Korrekturwerte aus den beiden der tatsächlichen Höhe der Bildaufnahme nächstkommenden Korrekturinformationen interpoliert werden. Des Weiteren wird im Folgenden ein von der Höhenkoor- dinate bzw. Z-Koordinate abhängige Korrektur mittels eines hinsichtlich der Höhenkoordinate parametrisierten Modells vorgeschlagen.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann daher vorgesehen sein, dass nach dem Schritt des Erfassens ein Korrigieren zumindest eines Bildes der erfassten Mehrzahl von Bildern mittels einer Korrekturmatrix zur Bereitstellung zumindest eines korrigierten Bildes erfolgt, insbesondere wobei jedem Bild des Bildstapels eine den Abstand der Fokalebene von dem Objektiv während der Erfassung repräsentierende Höhenkoordinate zugeordnet wird, und wobei die Korrekturmatrix mit Korrekturinformationen für eine Mehrzahl verschiedener Höhenkoordinaten bereitgestellt ist.
Auf diese Weise stellt die Korrekturmatrix Korrekturinformation für eine Vielzahl verschiedener Höhenkoordinaten bzw. Z-Koordinaten entlang des Telezentriebereichs des Objektivs bereit.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das
Verfahren des Weiteren einen Schritt des Bestimmens der Eigenschaft aus der erfassten Mehrzahl von Bildern aufweist und/oder aus dem zumindest einen korrigierten Bild der Mehrzahl von Bildern aufweist.
Auf diese Weise kann letztendlich die gewünschte Eigenschaft des Messobjekts aus den während des Bewegens des Bildsensors erfassten Bildern, die anhand der Korrekturmatrix höhenkoordinatenabhängig bzw. sensorpositionsabhängig korrigiert wurden, bestimmt werden. Dieses kann beispielsweise automatisiert geschehen, indem für jedes Merkmal anhand einer Gütefunktion das zu nutzende Bild bestimmt wird. Die Gütefunktion kann beispielsweise ein Schärfekriterium oder ein Kontrastkriterium, beispielsweise ein Helligkeitsgradient über eine Kante oder Ähnliches sein.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine Bildfehler eine Verzeichnung und/oder eine laterale Verschiebung des Bildes aufgrund der Bewegung des Bildsensors ist. Es kann somit beispielsweise mittels der Korrekturmatrix bzw. der Korrekturinformation eine Verzeichnung korrigiert werden und/oder eine laterale Verschiebung des Bildes auf dem Bildsensor aufgrund der Bewegung des Bildsensors korrigiert werden.
[0036] Auf diese Weise ist es möglich, nicht nur die optischen Abbildungsfehler des Objektivs sondern etwaige mechanische Fehler wie eine laterale Verschiebung aufgrund der Bewegung des Bildsensors zu korrigieren.
[0037] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahren kann vorgesehen sein, dass das
Korrigieren des zumindest einen Bildes erfolgt, indem eine Korrekturinformation angewendet wird, die für eine Höhenkoordinate der Korrekturmatrix bereitgestellt ist, die der Höhenkoordinate des erfassten Bildes am nächsten kommt.
[0038] Auf diese Weise wird schlichtweg diejenige Korrekturinformation der Korrekturmatrix
gewählt, die für eine Höhenkoordinate erfasst wurde, die der tatsächlichen Höhenkoordinate des aufgenommenen Bildes am nächsten kommt. Die Korrekturinformation kann beispielsweise eine Korrektur der Verzeichnung und/oder weitere Bildfehler in einer X-Y- Ebene oder Sensorebene des Bildsensors sein, für eine bestimmte Höhenkoordinate bzw. Sensorposition.
[0039] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das
Korrigieren des zumindest einen Bildes erfolgt, in dem eine Korrekturinformation angewendet wird, die aus zwei Korrekturinformationen interpoliert ist, die für zwei der Höhenkoordinate des Bildes nächstkommende Höhenkoordinaten der Korrekturmatrix bereitgestellt sind.
[0040] Auf diese Weise wird eine verbesserte Genauigkeit bereitgestellt, indem die beiden in tatsächlichen Höhenkoordinaten aufgenommenen Bildes nächstkommenden Korrekturinformationen interpoliert werden. Insbesondere kann eine lineare Interpolation erfolgen.
[0041] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die
Korrekturmatrix als ein mit der Höhenkoordinate des erfassten Bildes parametrisiertes Modell zur Korrektur des mindestens einen Bildfehlers bereitgestellt wird, aus dem die Korrekturinformation für das jeweilige erfasste Bild basierend auf der Höhenkoordinate des jeweiligen erfassten Bildes bestimmt wird.
[0042] Beispielsweise die Darstellung von Verzeichnungskarten für eine feste Höhe in einem parametrisierten Modell ist bei der digitalen Verzeichnungskorrektur vorteilhaft. Für rotationssymmetrische Verzeichnungskarten wird oftmals das Modell von Brown und Conrady verwendet, es gilt
Ax(x, y) = x(l + Kxr 2 + K2rA + ...)
Ay(x, y) = y (l + Klr2 + K2rA + ...) mit den Koeffizienten K-i ,K2, usw. und r2 = x2 + y2. Da ein kompletter Stapel von Verzeichnungskarten zu parametrisieren ist, wird dieses Modell um eine z-Abhängigkeit erweitert zu:
Ax(x, y; z. ) = x (1 + K{ (z. )r 2 + K2 (z. )r 4 + ...) Ay(x, y; zi) = y (l + K, (z. )r 2 + K2 (z. )r 4 + ...)
[0043] Die Koeffizienten hängen jetzt von der Messhöhe z ab. Oft bilden die verwendeten
radialen Polynome keine stabile Basis. Für eine beliebige z-Höhe kann daher häufig nicht zwischen den begrenzenden Koeffizienten K izi ) und K .(z.) interpoliert werden.
[0044] Aus diesem Grund betrachtet man eine verallgemeinerte Darstellung. Für eine beliebige
Basis F : R2 R2 gelte
f Ax(x, y; z;) ) "
Ay{x, y, z; )) J=0 [0045] Bilden Fj eine orthogonale Basis, so ist das Funktionssystem stabil. Die Interpolation für verschiedene z-Höhen ist jetzt zulässig. Als Basissystem können beispielsweise Zernike- Funktionen bzw. Zernike-Polynome verwendet werden.
[0046] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass nach dem
Schritt des Anordnens ein Schritt des Änderns eines optischen Arbeitsabstands erfolgt, indem eine Relativbewegung zwischen dem Messobjekt und der Bilderfassungseinrichtung erfolgt, insbesondere wobei das Ändern des optischen Arbeitsabstands derart erfolgt, dass das Messobjekt, insbesondere die zu bestimmende Eigenschaft, innerhalb des objektseitigen Telezentriebereichs des Objektivs angeordnet ist.
[0047] Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass sich das Messobjekt auch tatsächlich im Telezentriebereich des Objektivs befindet.
[0048] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass vor dem
Schritt des Korrigierens aus der Mehrzahl von erfassten Bildern die für die Bestimmung der Eigenschaft erforderlichen Bilder ausgewählt werden, und wobei darauffolgend nur die ausgewählten Bilder korrigiert werden, insbesondere wobei das Auswählen durch Auswerten der Mehrzahl von Bildern mittels einer Gütefunktion erfolgt.
[0049] Auf diese Weise kann die Korrektur und damit der Rechen- und Zeitaufwand verringert werden. Die Gütefunktion kann beispielsweise ein Schärfekriterium oder Ähnliches sein. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass der vollständige Bildstapel korrigiert werden muss, und es werden lediglich diejenigen Bilder korrigiert, in denen zu erwarten ist, dass eine sehr gute oder beste Abbildung des zu erfassenden Merkmals auf den Bildsensor erfolgt ist.
[0050] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die
Fokalebene eine Ebene in einem Objektraum des Objektivs ist, aus der mittels des Objektivs eine beste Abbildung auf den Bildsensor erfolgt. Grundsätzlich wird bei idealer Betrachtung für ein beidseitig telezentrisches Objektiv eine Abbildung in nahezu gleichbleibender Güte aufgrund des idealerweise afokalen Systems erwartet. Tatsächlich gibt es jedoch eine Fokalebene bzw. Ebene, aus der eine beste Abbildung auf den Bildsensor mittels des beidseitig telezentrischen Objektivs erfolgt. Diese wird vorliegend als die "Fokalebene" bezeichnet und ist diejenige Ebene, die durch Verschieben des Bildsensors im Objektraum bewegt werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die
Vorrichtung des Weiteren eine Durchlicht-Beleuchtungseinrichtung aufweist, insbesondere wobei die Durchlicht-Beleuchtungseinrichtung einen kollimierten Beleuchtungsstrahlengang bereitstellt.
Auf diese Weise kann eine sehr gute Profilprojektion bereitgestellt werden. Insbesondere der kollimierte Beleuchtungsstrahlengang verbessert im Zusammenwirken mit dem beidseitig telezentrischen Objektiv bzw. Abbildungsobjektiv eine hochgenaue Messung mittels eines Profilprojektors.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung des Weiteren eine Auflicht-Beleuchtungseinrichtung aufweist, insbesondere wobei die Auflicht-Beleuchtungseinrichtung eine Auflichtbeleuchtung koaxial zu einer optischen Achse des Objektivs bereitstellt und/oder eine Auflichtbeleuchtung parallel zu einem Hauptstrahlengang in dem objektseitigen Telezentriebereich bereitstellt.
Auch die Beleuchtung durch eine Auflicht-Beleuchtungseinrichtung, insbesondere mit koaxial zur optischen Achse des Objektivs bzw. Abbildungsobjektivs verlaufenden Beleuchtungsstrahlengang ist möglich.
In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die
Vorrichtung des Weiteren eine Datenverarbeitungseinrichtung aufweist, die zum Ausführen eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung oder einer seiner Ausgestaltungen auf der Vorrichtung eingerichtet ist. Auf diese Weise kann die Vorrichtung insbesondere mit dem Kalibrationsverfahren wie voranstehend beschrieben ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die
Vorrichtung des Weiteren eine Speichereinrichtung aufweist, auf der eine Korrekturmatrix zur Korrektur zumindest eines Bildfehlers eines mittels der Bilderfassungseinrichtung erfassten Bildes gespeichert ist, insbesondere wobei die Korrekturmatrix eine Korrekturinformation zum Korrigieren des zumindest einen Bildfehlers für eine Mehrzahl von eine Position des Bildsensors repräsentierenden Größen bereitgestellt aufweist, insbesondere wobei die Größe des Weiteren eine aus der Position des Bildsensors resultierende Lage einer objektsseitigen Fokalebene des Objektivs repräsentiert.
Auf diese Weise wird es möglich, die Vorrichtung vorab zu kalibrieren und die
entsprechende Korrekturmatrix höhenkoordinatenabhängig abzulegen.
Die, die Position des Bildsensors repräsentierende Größe kann dabei die Position des Bildsensors selbst im Telezentriebereich des Objektivs sein. Speziell aber auch eine aus der Position des Bildsensors resultierende Lage der Fokalebene im objektseitigen Telezentriebereich des Objektivs kann diese Größe sein.
In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass das Objektiv eine Mehrzahl von Linsenelementen aufweist, die hintereinander entlang einer Längsachse des Objektivs angeordnet sind, und wobei der Bildsensor parallel zu der Längsachse bewegbar ist. Insbesondere ist das Objektiv ein für eine Mehrzahl von refraktiven optischen Elementen, insbesondere Linsenelementen, ausgebildetes Objektiv. Diese sind im Zusammenbau rotationssymmetrisch ausgebildet. Entlang ihrer Rotationssymmetrieachse weisen sie somit eine optische Achse auf, da ein Lichtstrahl, der die Linsenelemente entlang dieser Achse durchläuft, senkrecht auf allen Flächen der Linsenelemente steht. Die Abstrahlengänge im Telezentriebereich verlaufen dann parallel zu dieser optischen Achse. Ein entlang der optischen Achse verlaufender Abbildungsstrahlengang auf dem Bildsensor verläuft dann parallel zu der Bewegungsrichtung des Bildsensors. [0062] In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass das Objektiv eine optische Achse aufweist, wobei der Bildsensor parallel zu einem Abbildungsstrahlengang bewegbar ist, der das Objektiv entlang der optischen Achse durchläuft.
[0063] Insofern ist sichergestellt, dass der Bildsensor senkrecht zu einer Sensorebene beleuchtet wird und das Bewegen des Bildsensors die Fokalebene wie gewünscht ohne Veränderung des Abbildungsmaßstabs im Objektraum bewegt.
[0064] In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die
Vorrichtung des Weiteren eine Antriebseinrichtung zum Bewegen des Bildsensors aufweist.
[0065] Auf diese Weise wird es möglich, den Bildsensor zu bewegen. Beispielsweise kann die
Datenverarbeitungseinrichtung der Vorrichtung dazu vorgesehen sein, auch die Bewegung des Bildsensors zu steuern. Die Antriebseinrichtung sollte den Bildsensor hochgenau bewegen und dabei die Bewegung in ihrer Richtung genau geführt sein. Bei der Antriebseinrichtung kann es sich beispielsweise um einen piezoelektrischen Motor, auch Ultraschallmotor oder Wanderwellenmotor genannt, handeln.
Wie bereits voranstehend geschildert wurde, kann, wenn die zu messenden Merkmale des Messobjekts außerhalb des Telezentriebereichs der Vorrichtung liegen, das Messobjekt in dem Telezentriebereich derart verschoben werden, dass alle zu messenden Merkmale innerhalb des Telezentriebereichs liegen. Hierfür kann eine Kante bzw. ein Merkmal mittlerer Höhe ausgewählt werden. Dieses wird dann in die Mitte des Telezentriebereichs verschoben, indem der optische Arbeitsabstand durch Bewegung des Messobjektträgers und der Bildaufnahmeeinrichtung relativ zueinander verändert wird. Idealerweise liegen dann alle zu messenden Merkmale des Messobjekts innerhalb des Telezentriebereichs und sind zumindest in einer Höhenkoordinate bzw. auf einem Bild des mittels des Bildsensors erfassten Bildstapels optimal bzw. bestmöglich abgebildet.
[0067] Wie bereits beschrieben wurde, können zunächst aus dem Bildstapel diejenigen Bilder ausgewählt werden, die für die Messung notwendig sind. Es kann wie voranstehend beschrieben beispielsweise anhand eines lokalen Schärfekriteriums geschehen. Der
Bildfehler dieser für die Messung notwendigen Bilder werden dann entsprechend der parametrisierten Kalibrierdaten bzw. der Korrekturmatrix korrigiert. Es korrigiert auch den lateralen Versatz der Bilder zueinander, der sich gegebenenfalls durch die Bewegung des Bildsensors ergeben hat. Es ist nun möglich, mit einer sehr hohen Messgenauigkeit die einzelnen Merkmale des Messobjekts in unterschiedlichen Höhenkoordinaten für die Messung heranzuziehen. Darüber hinaus kann die Messung sehr schnell erfolgen, da nur eine sehr kleine Bewegung des Bildsensors selbst im Objektraum erfolgen muss.
[0068] 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.
[0069] Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung,
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte schematische Ansicht der Bildaufnahme in der
Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform,
Fig. 3 Abbildungsfehler, insbesondere Verzeichnungskarten für verschiedene
Höhenkoordinaten;
Fig. 4 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des eines Verfahrens; und
Fig. 5 ein detailliertes Flussdiagramm einer Kalibration in dem Verfahren nach
Fig. 4. [0070] In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des neuen Messgeräts in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Das Messgerät 10 besitzt einen Werkstücktisch 12 mit einer Auflagefläche 13, auf der hier ein Messobjekt 14 angeordnet ist. Mit der Bezugsziffer 16 ist ein Interessenbereich (ROI) bezeichnet, in dem beispielsweise eine Kante des Messobjekts 14 verläuft. Beispielsweise soll die Position der Kante und/oder der Kantenverlauf gemessen werden.
[0071] Oberhalb von dem Werkstücktisch 12 ist eine Bilderfassungseinrichtung 18,
beispielsweise eine Kamera, mit einem Bildsensor 20 angeordnet und einem Objektiv bzw. einer Abbildungsoptik 22. Die Bilderfassungseinrichtung 18 blickt hier also senkrecht von oben auf das Messobjekt 14, was eine typische Anordnung für solche Messgeräte ist. Alternativ oder ergänzend hierzu könnte die Bilderfassungseinrichtung 18 oder eine weitere Bilderfassungseinrichtung (hier nicht dargestellt) jedoch in einer anderen Orientierung relativ zu dem Messobjekt angeordnet sein.
[0072] Der Bildsensor 20 ist in den bevorzugten Ausführungsbeispielen ein CMOS- oder CCD- Sensor mit einer Mehrzahl von in einer Sensorebene angeordneten Sensorelementen, beispielsweise mit einer Vielzahl von matrixartig angeordneten Pixeln. Das Objektiv 22 ist ein beidseitig, d.h. objektseitig und bildseitig, telezentrisches Objektiv. Das Objektiv 22 weist optische Elemente (hier nicht dargestellt) auf, insbesondere Linsen, mit deren Hilfe das Messobjekt 14 in an sich bekannter Weise auf den Bildsensor 20 abgebildet wird. Die Abbildung ist in der Realität nicht ideal, d.h. das Objektiv 22 besitzt konstruktionsbedingte und/oder individuelle Abbildungsfehler, die zur Folge haben, dass das vom Bildsensor 20 aufgenommene Bild des Messobjekts 14 von dem realen Messobjekt 14 abweicht.
Insbesondere kann das Objektiv 22 eine fokusabhängige Verzeichnung haben. Aufgrund der Verzeichnung kann die Kante verschoben, verdreht und/oder verzerrt in dem Bild der Bilderfassungseinrichtung 18 erscheinen, was im Hinblick auf die Messgenauigkeit nachteilig ist. Daher ist es zur Erhöhung der Messgenauigkeit vorgesehen, das von dem Bildsensor 20 aufgenommene Bild anhand von Kalibrierwerten rechnerisch zu korrigieren. Die Kalibrierwerte werden beispielsweise an einem Referenzmessobjekt, beispielsweise einem Chromgitter, mit bekannten dimensionalen Eigenschaften bestimmt. [0073] Wie bei der Bezugsziffer 24 angedeutet ist, besitzt die Bilderfassungseinrichtung 18 eine verstellbare Arbeitsposition bzw. einen verstellbaren Arbeitsabstand 24 relativ zu dem Werkstücktisch 12 und dem darauf angeordneten Messobjekt 14. Unter dem Arbeitsabstand kann vorliegend der optische Arbeitsabstand verstanden werden, d.h. der Abstand zwischen dem Messobjekt 14 und der ersten Störkontur des Objektivs 22. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Bilderfassungseinrichtung 18 senkrecht zu dem Werkstücktisch 12 verfahren werden, was hier mit einem Pfeil 25 angedeutet ist. Üblicherweise wird diese Verstellrichtung als Z-Achse 42 bezeichnet. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Bilderfassungseinrichtung 18 zudem in einer horizontalen Ebene, die typischerweise als X- Y-Ebene bezeichnet wird, relativ zu dem Werkstücktisch 12 bzw. dem Messobjekt 14 verfahren werden. In anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen können die Bilderfassungseinrichtung 18 und der Werkstücktisch 12 in der X- Y-Ebene starr zueinander angeordnet sein.
[0074] Mit der Bezugsziffer 26 ist eine Beleuchtungseinrichtung bezeichnet, die hier unterhalb des Werkstücktisches 12 angeordnet ist. Dementsprechend ist der Werkstücktisch 12 in diesem Ausführungsbeispiel zumindest teilweise lichtdurchlässig. Das Messobjekt 14 ist hier zwischen der Bilderfassungseinrichtung 18 und der Beleuchtungseinheit 26 angeordnet, so dass die Bilderfassungseinrichtung 18 das Werkstück 14 mit einer sogenannten Durchlichtbeleuchtung aufnimmt. Alternativ oder ergänzend kann das Messgerät 10 in weiteren Ausführungsbeispielen eine sogenannte Auflichtbeleuchtung besitzen, mit der das Messobjekt 14 von oben bzw. schräg zur Blickrichtung der Bilderfassungseinrichtung 18 beleuchtet wird. Die Beleuchtungseinrichtung 26 kann eine Optik 29 aufweisen, um eine telezentrische Beleuchtung bereitzustellen, d.h. einen kollimierten Strahlengang zu Beleuchtung des Messobjekts 14. Die Kollimationsrichtung bzw. Telezentrierichtung der Beleuchtungseinrichtung 26 entspricht dabei der Telezentrierichtung des Objektivs 22, d.h. insbesondere der Z-Richtung.
[0075] Mit der Bezugsziffer 28 ist eine Auswerte- und Steuereinheit bzw. Datenverarbeitungseinrichtung bezeichnet. Die Auswerte- und Steuereinheit 28 steuert einerseits die Arbeitsposition der Bilderfassungseinrichtung 18 relativ zu dem Messobjekt 14 sowie die Bildaufnahme. Andererseits ermöglicht die Auswerte- und Steuereinheit 28 die Bildauswertung und somit die Bestimmung von Messwerten, die die gesuchten dimensionalen Eigen- schatten des Messobjekts repräsentieren. Darüber hinaus führt die Auswerte- und Steuereinheit 28 die Korrektur des von der Bilderfassungseinrichtung 18 aufgenommenen Bildes anhand der Kalibrierwerte bzw. der Korrekturinformation durch.
Zu diesem Zweck besitzt die Auswerte- und Steuereinheit einen Prozessor 30 sowie einen oder mehrere Speicher, die mit dem Prozessor 30 kommunikativ verbunden sind. Beispielhaft ist hier ein erster Speicher 32 dargestellt, in dem die Korrekturinformationen abgelegt sind, die die Abbildungsfehler des Objektivs 22 für verschiedene Positionen der Fokalebene bzw. des Bildsensors 20 korrigieren. Die Korrekturinformationen im Speicher 32 ermöglichen somit eine rechnerische Korrektur dieser Abbildungsfehler.
In dem Speicher 32 kann auch ein Auswerte- und Steuerprogramm gespeichert sein, welches den Prozessor 30 veranlasst, die Steuerung der Bilderfassungseinrichtung 18 und die Auswertung der aufgenommenen Bilder durchzuführen.
Mit der Bezugsziffer 34 ist eine Anzeige bezeichnet, die einerseits eine Schnittstelle darstellt, über die ein Bediener einen oder mehrere Interessenbereiche 16 definieren kann. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Anzeige 34 ein Touchscreen-Monitor und der Bediener kann beispielsweise anhand eines angezeigten Bildes 36 von dem Messobjekt 14 einen oder mehrere Interessenbereiche 16 festlegen. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Definition von Interessenbereichen anhand von CAD-Daten erfolgen, die Soll-Eigenschaften des Messobjekts 14 repräsentieren. Alternativ oder ergänzend kann auf der Anzeige 34 ein aktuelles Bild von dem Messobjekt 14 angezeigt werden und der Bediener kann Interessenbereiche 16 anhand des aktuellen Bildes definieren. Es versteht sich, dass alternativ oder ergänzend zu einem Touchscreen-Monitor eine Bedienung über eine Maus und/oder Tastatur oder ein anderes Eingabemedium möglich ist, beispielsweise mittels einer Eingabeeinrichtung 38.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Bereichs der Bildaufnahme in der Vorrichtung nach Fig. 1 . Der Bildsensor 20 weist eine Mehrzahl von Sensorelementen 21 auf, die in einer
Sensorebene 48 angeordnet sind. Das Objektiv 22 ist als beidseitig telezentrisches Objektiv ausgebildet und weist eine optische Achse 42 auf. Das Objektiv 22 weist einen bildseitigen Telezentriebereich 44 und einen objektseitigen Telezentriebereich 46 auf. In dem objektseitigen Telezentriebereich 46 ist das Messobjekt 14 angeordnet. Es ist auf der Auflagefläche 13 des Messobjektträgers 12 bzw. der Werkstückaufnahme 12 angeordnet.
Der Bildsensor 20 ist mittels einer Antriebseinrichtung 52 parallel zu der optischen Achse 42 bewegbar, wie durch einen Pfeil 54 dargestellt ist. Dies bedeutet, dass der Bildsensor 20 parallel zu einem Abbildungsstrahlengang 58, der entlang der optischen Achse 42 verläuft, bewegbar ist. Die optische Achse steht senkrecht auf der Sensorebene 48.
Auf diese Weise wird es möglich, durch Bewegen des Bildsensors 20 in Richtung 54 die Fokalebene 50, d.h. die Ebene der besten Abbildung aus dem Objektraum auf den Bildsensor 20 entlang der optischen Achse 42 zu verschieben, wie durch einen Pfeil 56 dargestellt ist. Die Richtungen 56 und 54 liegen parallel zueinander. Auf diese Weise kann durch eine minimale Verschiebung des Bildsensors 20 die Fokalebene 50 über den gesamten objektseitigen Telezentriebereich 46 und das Messobjekt 14 verschoben werden. Eine Vergrößerung des Objektivs 22 hebelt dabei die Wegstrecke quadratisch. So kann beispielsweise bei einem Abbildungsmaßstab 1 :3 eine Bewegung des
Bildsensors 20 um 1 mm bereits eine Verschiebung der Fokalebene im Objektraum um 9 mm bewirken.
Auf diese Weise ist es möglich, durch eine Bewegung des Bildsensors 20 nur um eine minimale Weglänge und ohne weitere Adaption des Objektivs 22 oder der relativen Positionierung des Objektivs 22 relativ zu dem Messobjekt 14 die Fokalebene 50 über das gesamte Messobjekt 14 zu verfahren. Dies wird aufgrund der beidseitigen Telezentrie des Objekts 22 möglich. Auf die Bewegung des Bildsensors 20 erfolgt dann die Aufnahme einer definierten Mehrzahl von Bildern. Aus diesen Bildern, die einen Bildstapel ausbilden, kann dann für ein entsprechendes Merkmal des Messobjekts 14 das Bild ausgewählt werden, das dieses entsprechende Merkmal am besten abbildet. Das kann beispielsweise anhand eines lokalen Schärfekriteriums erfolgen. Auf diese Weise kann eine Art Autofokusverfahren bereitgestellt werden, das sehr schnell durchgeführt werden kann. Mittels einer in dem Speicher 32 der Datenverarbeitungseinrichtung 28 bzw. Auswerte- und
Steuerungseinrichtung 28 abgelegten Korrekturmatrix kann das besonders ausgewählte Bild korrigiert werden, das für jede Lage der Fokalebene 50 im objektseitigen Telezentrie- bereich 46 die Korrekturmatrix aufgrund der vorher durchgeführten Kalibration Korrekturinformationen aufweist.
Die Fig. 3a bis 3c zeigen verschiedene höhenabhängige Verzeichnungskarten als Beispiel. Wie hier zu erkennen ist, kann über den gesamten Bildsensor eine Korrektur erfolgen. In der X- Y-Ebene kann die Verzeichnung oder ein beliebiger anderer Abbildungsfehler erfasst und abgelegt werden. Für verschiedene Lagen der Fokalebene bzw. Positionen des Bildsensors kann Z-abhängig somit eine dreidimensionale Karte der Bildfehler erstellt und daraus eine entsprechende Korrekturmatrix erstellt werden.
[0085] Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des Verfahrens 100.
[0086] In einem Schritt 102 wird zunächst eine Vorrichtung mit einem Messobjektträger
bereitgestellt, wobei der Messobjektträger eine Auflagefläche zum Anordnen des Messobjekts aufweist, und mit einer Bilderfassungseinrichtung, wobei die Bilderfassungseinrichtung einen Bildsensor oder ein Objektiv zum Abbilden des Messobjekts auf den Bildsensor aufweist, wobei das Objektiv ein beidseitig telezentrisches Objektiv ist, und wobei der Bildsensor relativ zu der Auflagefläche bewegbar ist.
Darauf folgt ein Schritt 104 des Kalibrierens der Vorrichtung zur Bereitstellung einer Korrekturmatrix zumindest eines Bildfehlers mittels der Korrekturmatrix. Details dieses Schrittes sind im Folgenden auch noch mit der Fig. 5 beschrieben. Auch laterale Bildverschiebungen aufgrund der Bewegungen des Bildsensors 20 können berücksichtigt werden.
[0088] In einem Schritt 106 erfolgt dann gegebenenfalls ein Ändern eines optischen
Arbeitsabstandes durch relatives Bewegen des Werkstückträges relativ zur Bilderfassungseinrichtung, d.h. entweder durch Bewegen des Werkstückträgers und/oder der Bilderfassungseinrichtung, um sicherzustellen, dass alle zu messenden Merkmale des Messobjekts innerhalb des objektseitigen Telezentriebereichs des Objektivs liegen.
[0089] In einem Schritt 108 erfolgt dann ein Anordnen des Messobjekts auf der Auflagefläche.
[0090] Danach folgt ein Schritt 1 10 des Bewegens des Bildsensors relativ zu dem Messobjekt in einem bildseitigen Telezentriebereich des Objektivs derart, dass die auf den Bildsensor mittels des Objektivs abgebildete Fokalebene durch einen das Messobjekt zumindest teilweise aufweisenden Abschnitt als objektseitigen Telezentriebereich des Objektivs bewegt wird. Insbesondere wird die Fokalebene durch den gesamten Telezentriebereich bzw. objektseitigen Telezentriebereich des Objektivs bewegt. Es erfolgt beim Schritt 1 12 während des Bewegens des Bildsensors im Schritt 1 10 das Erfassen einer Mehrzahl von Bildern des Messobjekts zur Bildung des Bildstapels.
[0091] In einem Schritt 1 14 können dann aus diesem Bildstapel diejenigen Bilder ausgewählt werden, die die zu messenden Merkmale anhand einer Gütefunktion, beispielsweise einem lokalen Schärfekriterium, am besten abbilden.
[0092] Nach einem Schritt 1 16 werden dann diese ausgewählten Bilder anhand der
Korrekturmatrix korrigiert. Grundsätzlich kann alternativ auch vorgesehen sein, alle Bilder des Bildstapels zu korrigieren.
[0093] In einem Schritt 1 18 erfolgt letztendlich das Bestimmen der Eigenschaft, insbesondere der dimensionalen Eigenschaft des Messobjekts anhand der erfassten Merkmale. Dimensionale Eigenschaften bezeichnen dabei Koordinatenlagen, Längen, Winkel oder andere sich aus den tatsächlichen Dimensionen oder Geometrie des Werkstücks ergebenden Größen.
[0094] In der Fig. 5 sind die Details des Kalibrierens bzw. Erstellens der Korrekturmatrix im
Schritt 104 dargestellt. Zunächst erfolgt im Schritt 120 ein Bereitstellen eines Referenzobjekts in einem objektseitigen Telezentriebereich des Objektivs. Das Referenzobjekt kann beispielsweise ein Chromgitter sein.
Dann erfolgt ein Bewegen des Bildsensors relativ zu dem Referenzobjekt in einem bildseitigen Telezentrierbereich des Objektivs derart, dass ein auf den Bildsensor mittels des Objektivs abgebildete Fokalebene durch das Referenzobjekt in dem objektseitigen Telezentriebereich des Objekts bewegt wird.
In einem Schritt 124 erfolgt dann ein Erfassen einer Mehrzahl von Kalibrierbildern des Referenzobjekts mittels der Bilderfassungseinrichtung während des Schrittes des Bewegens des Bildsensors relativ zu dem Referenzobjekt, wobei jedem Kalibrierbild eine den Abstand der Fokalebene von dem Objektiv während der Erfassung des jeweiligen Kalibrierbildes repräsentierende Höhenkoordinate zugeordnet wird.
In einem Schritt 126 wird dann zumindest ein Bildfehler und/oder eine laterale
Verschiebung des Bildes in jedem der Kalibrierbilder durch ein Vergleich mit dem Referenzobjekt bestimmt und letztendlich im Schritt 128 eine Korrekturmatrix zur Korrektur der bestimmten Bildfehler, d.h. der Abbildungsfehler des Objektivs und/oder der lateralen Verschiebung des Bildsensors resultierenden Fehler, durchgeführt. Es liegt dann eine dreidimensionale Korrekturmatrix vor, deren X- Y-Koordinatenebene die Ebene des Bildsensors beschreibt und die Z-Lage die Position des Bildsensors repräsentiert bzw. die daraus resultierende Position der Fokalebene 50 im Objektbereich.
Des Weiteren weist die vorliegende Offenbarung Ausführungsformen gemäß der folgenden Klauseln auf:
Klausel 1. Verfahren (100) zum Bestimmen einer Eigenschaft eines Messobjekts (14), insbesondere einer dimensionalen Eigenschaft des Messobjekts (14), mit den folgenden Schritten: • Bereitstellen (102) einer Vorrichtung (10) mit einem Messobjektträger (12), wobei der Messobjektträger (12) eine Auflagefläche (13) zum Anordnen des Messobjekts (14) aufweist, und mit einer Bilderfassungseinrichtung (18), wobei die Bilderfassungseinrichtung (18) einen Bildsensor (20) und ein Objektiv (22) zum Abbilden des Messobjekts (14) auf den Bildsensor (20) aufweist, wobei das Objektiv (22) ein beidseitig telezentrisches Objektiv (22) ist, und wobei der Bildsensor (20) relativ zu der Auflagefläche (13) bewegbar ist;
• Anordnen (108) des Messobjekts (14) auf der Auflagefläche (13);
• Bewegen (1 10) des Bildsensors relativ zu dem Messobjekt (14) in einem beseitigen Telezentriebereich (44) des Objektivs (22) derart, dass eine auf den
Bildsensor (20) mittels des Objektivs (22) abgebildete Fokalebene (50) durch einen das Messobjekt (14) zumindest teilweise aufweisenden Abschnitt eines ob- jektseitigen Telezentriebereichs (46) des Objektivs (22) bewegt wird;
• Erfassen (1 12) einer Mehrzahl von Bildern des Messobjekts (14) mittels der Bilderfassungseinrichtung (18) während des Schrittes des Bewegens des
Bildsensors (20) relativ zu dem Messobjekt (14).
Klausel 2. Verfahren nach Klausel 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (20) eine Mehrzahl von Sensorelementen aufweist, die in einer Sensorebene (21 ) angeordnet sind, und wobei das Bewegen des Bildsensors (20) erfolgt, indem der Bildsensor (20) senkrecht zu der Sensorebene (21 ) bewegt wird, insbesondere wobei der Bildsensor (20) relativ zu der Auflagefläche (13) bewegt wird.
Klausel 3. Verfahren nach Klausel 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Objektiv (22) ein beidseitig telezentrisches Objektiv (22) mit einer optischen Achse (42) ist, und wobei das Bewegen des Bildsensors (20) erfolgt, indem der
Bildsensor (20) parallel zu einem Abbildungsstrahlengang bewegt wird, der das Objektiv (22) entlang der optischen Achse (42) durchläuft, insbesondere wobei der Bildsensor (20) relativ zu der Auflagefläche (13) bewegt wird. Klausel Klausel 4. Verfahren nach einer der Klauseln 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Bildern einen Bildstapel ausbildet, und wobei jedem Bild des Bildstapels eine den Abstand der Fokalebene (50) von dem Objektiv (22) während der Erfassung repräsentierende Höhenkoordinate (70) zugeordnet wird.
Klausel 5. Verfahren nach einer der Klauseln 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt des Anordnens des Messobjekts (14) ein Kalibrieren (106) der Vorrichtung (10) zur Bereitstellung einer Korrekturmatrix und zur Korrektur zumindest eines Bildfehlers mittels der Korrekturmatrix erfolgt.
Klausel 6. Verfahren nach einer der Klauseln 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt des Anordnens des Messobjekts (14) ein Kalibrieren erfolgt, wobei das Kalibrieren (106) die folgenden Schritte aufweist:
• Bereitstellen (120) eines Referenzobjekts in einem objektseitigen Telezen- triebereich (46) des Objektivs (22);
• Bewegen (122) des Bildsensors (20) relativ zu dem Referenzobjekt in einem bildseitigen Telezentriebereich (44) des Objektivs (22) derart, dass eine auf den Bildsensor (20) mittels des Objektivs (22) abgebildete Fokalebene (50) durch das Referenzobjekt in dem objektseitigen Telezentriebereich (46) des Objektivs (22) bewegt wird;
• Erfassen (124) einer Mehrzahl von Kalibrierbildern des Referenzobjekts mittels der Bilderfassungseinrichtung (18) während des Schrittes des Bewegens des Bildsensors (20) relativ zu dem Referenzobjekt, wobei jedem Kalibrierbild eine den Abstand der Fokalebene (50) von dem Objektiv (22) während der Erfassung des jeweiligen Kalibrierbildes repräsentierende Höhenkoordinate (70) zugeordnet wird;
• Bestimmen (126) zumindest eines Bildfehlers in jedem der Kalibrierbilder durch einen Vergleich mit dem Referenzobjekt; und • Bestimmen (128) einer Korrekturmatrix zur Korrektur der bestimmten Bildfehler.
Klausel 7. Verfahren nach einer der Klauseln 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt des Erfassens ein Korrigieren zumindest eines Bildes der erfass- ten Mehrzahl von Bildern mittels einer Korrekturmatrix zur Bereitstellung zumindest eines korrigierten Bildes erfolgt, insbesondere wobei jedem Bild des Bildstapels eine den Abstand der Fokalebene (50) von dem Objektiv (22) während der Erfassung repräsentierende Höhenkoordinate (70) zugeordnet wird, und wobei die Korrekturmatrix mit Korrekturinformationen für eine Mehrzahl verschiedener Höhenkoordinaten (70) bereitgestellt ist.
Klausel 8. Verfahren nach einer der Klauseln 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des Weiteren einen Schritt des Bestimmens der Eigenschaft aus der erfassten Mehrzahl von Bildern aufweist und/oder aus dem zumindest einen korrigierten Bild der Mehrzahl von Bildern aufweist.
Klausel 9. Verfahren nach einer der Klauseln 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Bildfehler eine Verzeichnung und/oder eine laterale Verschiebung des Bildes aufgrund der Bewegung des Bildsensors (20) ist.
Klausel 10. Verfahren nach einer der Klauseln 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrigieren des zumindest einen Bildes erfolgt, in dem eine Korrekturinformation angewendet wird, die für eine Höhenkoordinate (70) der Korrekturmatrix bereitgestellt ist, die der Höhenkoordinate (70) des erfassten Bildes am nächsten kommt.
Klausel 1 1 . Verfahren nach einer der Klauseln 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrigieren des zumindest einen Bildes erfolgt, in dem eine Korrekturinformation angewendet wird, die aus zwei Korrekturinformationen interpoliert ist, die für zwei der Höhenkoordinate (70) des Bildes nächstkommende Höhenkoordinaten (70) der Korrekturmatrix bereitgestellt sind. Klausel 12. Verfahren nach einer der Klauseln 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturmatrix als ein mit der Höhenkoordinate (70) des erfassten Bildes pa- rametrisiertes Modell zur Korrektur des mindestens einen Bildfehlers bereitgestellt wird, aus dem die Korrekturinformation für das jeweilige erfasste Bild basierend auf der Höhenkoordinate (70) des jeweiligen erfassten Bildes bestimmt wird.
Klausel 13. Verfahren nach einer der Klauseln 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt des Anordnens eine Schritt des Änderns eines optischen Arbeitsabstands erfolgt, indem eine Relativbewegung zwischen dem Messobjekt (14) und der Bilderfassungseinrichtung (18) erfolgt, insbesondere wobei das Ändern des optischen Arbeitsabstands derart erfolgt, dass das Messobjekt (14), insbesondere die zu bestimmende Eigenschaft, innerhalb des objektseitigen Telezen- triebereichs (46) des Objektivs (22) angeordnet ist.
Klausel 14. Verfahren nach einer der Klauseln 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt des Korrigierens aus der Mehrzahl von erfassten Bildern die für die Bestimmung der Eigenschaft erforderlichen Bilder ausgewählt werden, und wobei darauffolgend nur die ausgewählten Bilder korrigiert werden, insbesondere wobei das Auswählen durch Auswerten der Mehrzahl von Bildern mittels einer Gütefunktion erfolgt.
Klausel 15. Verfahren nach einer der Klauseln 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokalebene (50) eine Ebene in einem Objektraum des Objektivs (22) ist, aus der mittels des Objektivs (22) eine beste Abbildung auf den Bildsensor (20) erfolgt.
Klausel 16. Verfahren nach einer der Klauseln 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) des Weiteren eine Durchlicht-Beleuchtungseinrichtung (26) aufweist, insbesondere wobei die Durchlicht-Beleuchtungseinrichtung einen kolli- mierten Beleuchtungs-Strahlengang bereitstellt.
Klausel 17. Verfahren nach einer der Klauseln 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) des Weiteren eine Auflicht-Beleuchtungseinrichtung aufweist, insbesondere wobei die Auflicht-Beleuchtungseinrichtung eine Auflichtbeleuchtung koaxial zu einer optischen Achse (42) des Objektivs (22) bereitstellt und/oder eine Auflichtbeleuchtung parallel zu einem Hauptstrahlengang in dem objektseitigen Telezentriebereich (46) bereitstellt.
Klausel 18. Vorrichtung (10), insbesondere Profilprojektor, zum Bestimmen einer
Eigenschaft eines Messobjekts (14), insbesondere einer dimensionalen Eigenschaft des Messobjekts (14), mit einem Messobjektträger (12), wobei der Messobjektträger (12) eine Auflagefläche (13) zum Anordnen des Messobjekts (14) aufweist, und mit einer Bilderfassungseinrichtung (18), wobei die Bilderfassungseinrichtung (18) einen Bildsensor (20) und ein Objektiv (22) zum Abbilden des Messobjekts (14) auf den Bildsensor (20) aufweist, wobei der Bildsensor (20) eine Mehrzahl von Sensorelementen aufweist, die in einer Sensorebene (21 ) angeordnet sind, und wobei das Objektiv (22) ein beidseitig telezentrisches Objektiv (22) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (20) relativ zu der Auflagefläche (13) senkrecht zu der Sensorebene (21 ) bewegbar ist.
Klausel 19. Vorrichtung (10) nach Klausel 18, dadurch gekennzeichnet, dass die
Vorrichtung (10) des Weiteren eine Datenverarbeitungseinrichtung aufweist, die zum Ausführen eines Verfahrens nach einer der Klauseln 1 bis 17 auf der Vorrichtung (10) eingerichtet ist.
Klausel 20. Vorrichtung (10) nach Klausel 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) des Weiteren eine Speichereinrichtung aufweist, auf der eine Korrekturmatrix zur Korrektur zumindest eines Bildfehlers eines mittels der Bilderfassungseinrichtung (18) erfassten Bildes gespeichert ist, insbesondere wobei die Korrekturmatrix eine Korrekturinformation zum Korrigieren des zumindest einen Bildfehlers für eine Mehrzahl von eine Position des Bildsensors (20) repräsentierenden Größen bereitgestellt aufweist, insbesondere wobei die Größe des Weiteren eine aus der Position des Bildsensors (20) resultierende Lage einer objektssei- tigen Fokalebene (50) des Objektivs (22) repräsentiert. Klausel 21 . Vorrichtung (10) nach einer der Klauseln 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (22) eine Mehrzahl von Linsenelementen aufweist, die hintereinander entlang einer Längsachse des Objektivs (22) angeordnet sind, und wobei der Bildsensor (20) parallel zu der Längsachse bewegbar ist.
Klausel 22. Vorrichtung (10) nach einer der Klauseln 18 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (22) eine optische Achse (42) aufweist, wobei der
Bildsensor (20) parallel zu einem Abbildungsstrahlengang (58) bewegbar ist, der das Objektiv (22) entlang der optischen Achse (42) durchläuft.
Klausel 23. Vorrichtung (10) nach einer der Klauseln 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) des Weiteren eine Antriebseinrichtung (52) zum Bewegen des Bildsensors (20) aufweist.
Klausel 24. Vorrichtung (10) zum Bestimmen einer Eigenschaft eines Messobjekts (14), insbesondere einer dimensionalen Eigenschaft eines Messobjekts (14), mit einem Messobjektträger (12), wobei der Messobjektträger (12) eine Auflagefläche (13) zum Anordnen des Messobjekts (14) aufweist, und mit einer Bilderfassungseinrichtung (18), wobei die Bilderfassungseinrichtung (18) einen Bildsensor (20) und ein Objektiv (22) zum Abbilden des Messobjekts (14) auf den Bildsensor (20) aufweist, und wobei das Objektiv (22) ein beidseitig telezentrisches Objektiv (22) mit einer optischen Achse (42) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (20) relativ zu der Auflagefläche (13) parallel zu einem Abbildungsstrahlengang (58) bewegbar ist, der das Objektiv (22) entlang der optischen Achse (42) durchläuft.

Claims

Patentansprüche
Verfahren (100) zum Bestimmen einer Eigenschaft eines Messobjekts (14), insbesondere einer dimensionalen Eigenschaft des Messobjekts (14), mit den folgenden Schritten:
Bereitstellen (102) einer Vorrichtung (10) mit einem Messobjektträger (12), wobei der Messobjektträger (12) eine Auflagefläche (13) zum Anordnen des Messobjekts (14) aufweist, und mit einer Bilderfassungseinrichtung (18), wobei die Bilderfassungseinrichtung (18) einen Bildsensor (20) und ein Objektiv (22) zum Abbilden des Messobjekts (14) auf den Bildsensor (20) aufweist, wobei das Objektiv (22) ein beidseitig telezentrisches Objektiv (22) ist, und wobei der Bildsensor (20) relativ zu der Auflagefläche (13) bewegbar ist;
Anordnen (108) des Messobjekts (14) auf der Auflagefläche (13);
Bewegen (1 10) des Bildsensors relativ zu dem Messobjekt (14) in einem beseitigen Telezentriebereich (44) des Objektivs (22) derart, dass eine auf den
Bildsensor (20) mittels des Objektivs (22) abgebildete Fokalebene (50) durch einen das Messobjekt (14) zumindest teilweise aufweisenden Abschnitt eines ob- jektseitigen Telezentriebereichs (46) des Objektivs (22) bewegt wird;
Erfassen (1 12) einer Mehrzahl von Bildern des Messobjekts (14) mittels der Bilderfassungseinrichtung (18) während des Schrittes des Bewegens des
Bildsensors (20) relativ zu dem Messobjekt (14).
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (20) eine Mehrzahl von Sensorelementen aufweist, die in einer Sensorebene (21 ) angeordnet sind, und wobei das Bewegen des Bildsensors (20) erfolgt, indem der Bildsensor (20) senkrecht zu der Sensorebene (21 ) bewegt wird, insbesondere wobei der Bildsensor (20) relativ zu der Auflagefläche (13) bewegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (22) ein beidseitig telezentrisches Objektiv (22) mit einer optischen Achse (42) ist, und wobei das Bewegen des Bildsensors (20) erfolgt, indem der Bildsensor (20) parallel zu einem Abbildungsstrahlengang bewegt wird, der das Objektiv (22) entlang der optischen Achse (42) durchläuft, insbesondere wobei der Bildsensor (20) relativ zu der Auflagefläche (13) bewegt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Bildern einen Bildstapel ausbildet, und wobei jedem Bild des Bildstapels eine den Abstand der Fokalebene (50) von dem Objektiv (22) während der Erfassung repräsentierende Höhenkoordinate (70) zugeordnet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt des Anordnens des Messobjekts (14) ein Kalibrieren (106) der Vorrichtung (10) zur Bereitstellung einer Korrekturmatrix und zur Korrektur zumindest eines Bildfehlers mittels der Korrekturmatrix erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt des Anordnens des Messobjekts (14) ein Kalibrieren erfolgt, wobei das Kalibrieren (106) die folgenden Schritte aufweist:
• Bereitstellen (120) eines Referenzobjekts in einem objektseitigen Telezen- triebereich (46) des Objektivs (22);
• Bewegen (122) des Bildsensors (20) relativ zu dem Referenzobjekt in einem bildseitigen Telezentriebereich (44) des Objektivs (22) derart, dass eine auf den Bildsensor (20) mittels des Objektivs (22) abgebildete Fokalebene (50) durch das Referenzobjekt in dem objektseitigen Telezentriebereich (46) des Objektivs (22) bewegt wird;
• Erfassen (124) einer Mehrzahl von Kalibrierbildern des Referenzobjekts mittels der Bilderfassungseinrichtung (18) während des Schrittes des Be- wegens des Bildsensors (20) relativ zu dem Referenzobjekt, wobei jedem Kalibrierbild eine den Abstand der Fokalebene (50) von dem Objektiv (22) während der Erfassung des jeweiligen Kalibrierbildes repräsentierende Höhenkoordinate (70) zugeordnet wird;
• Bestimmen (126) zumindest eines Bildfehlers in jedem der Kalibrierbilder durch einen Vergleich mit dem Referenzobjekt; und
• Bestimmen (128) einer Korrekturmatrix zur Korrektur der bestimmten Bildfehler.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt des Erfassens ein Korrigieren zumindest eines Bildes der erfassten Mehrzahl von Bildern mittels einer Korrekturmatrix zur Bereitstellung zumindest eines korrigierten Bildes erfolgt, insbesondere wobei jedem Bild des Bildstapels eine den Abstand der Fokalebene (50) von dem Objektiv (22) während der Erfassung repräsentierende Höhenkoordinate (70) zugeordnet wird, und wobei die Korrekturmatrix mit Korrekturinformationen für eine Mehrzahl verschiedener Höhenkoordinaten (70) bereitgestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des Weiteren einen Schritt des Bestimmens der Eigenschaft aus der erfassten Mehrzahl von Bildern aufweist und/oder aus dem zumindest einen korrigierten Bild der Mehrzahl von Bildern aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt des Anordnens eine Schritt des Änderns eines optischen Arbeitsabstands erfolgt, indem eine Relativbewegung zwischen dem Messobjekt (14) und der Bilderfassungseinrichtung (18) erfolgt, insbesondere wobei das Ändern des optischen Arbeitsabstands derart erfolgt, dass das Messobjekt (14), insbesondere die zu bestimmende Eigenschaft, innerhalb des objektseitigen Telezentriebereichs (46) des Objektivs (22) angeordnet ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokalebene (50) eine Ebene in einem Objektraum des Objektivs (22) ist, aus der mittels des Objektivs (22) eine beste Abbildung auf den Bildsensor (20) erfolgt.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) des Weiteren eine Durchlicht-Beleuchtungseinrichtung (26) aufweist, insbesondere wobei die Durchlicht-Beleuchtungseinrichtung einen kollimier- ten Beleuchtungs-Strahlengang bereitstellt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) des Weiteren eine Auflicht-Beleuchtungseinrichtung aufweist, insbesondere wobei die Auflicht-Beleuchtungseinrichtung eine Auflichtbeleuchtung koaxial zu einer optischen Achse (42) des Objektivs (22) bereitstellt und/oder eine Auflichtbeleuchtung parallel zu einem Hauptstrahlengang in dem objektseitigen Telezentriebereich (46) bereitstellt.
13. Vorrichtung (10), insbesondere Profilprojektor, zum Bestimmen einer Eigenschaft eines Messobjekts (14), insbesondere einer dimensionalen Eigenschaft des Messobjekts (14), mit einem Messobjektträger (12), wobei der Messobjektträger (12) eine Auflagefläche (13) zum Anordnen des Messobjekts (14) aufweist, und mit einer Bilderfassungseinrichtung (18), wobei die Bilderfassungseinrichtung (18) einen Bildsensor (20) und ein Objektiv (22) zum Abbilden des Messobjekts (14) auf den Bildsensor (20) aufweist, wobei der Bildsensor (20) eine Mehrzahl von Sensorelementen aufweist, die in einer Sensorebene (21 ) angeordnet sind, und wobei das Objektiv (22) ein beidseitig telezentrisches Objektiv (22) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (20) relativ zu der Auflagefläche (13) senkrecht zu der Sensorebene (21 ) bewegbar ist.
14. Vorrichtung (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) des Weiteren eine Datenverarbeitungseinrichtung aufweist, die zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auf der Vorrichtung (10) eingerichtet ist.
15. Vorrichtung (10) zum Bestimmen einer Eigenschaft eines Messobjekts (14), insbesondere einer dimensionalen Eigenschaft eines Messobjekts (14), mit einem Messobjektträger (12), wobei der Messobjektträger (12) eine Auflagefläche (13) zum Anordnen des Messobjekts (14) aufweist, und mit einer Bilderfassungseinrichtung (18), wobei die Bilderfassungseinrichtung (18) einen Bildsensor (20) und ein Objektiv (22) zum Abbilden des Messobjekts (14) auf den Bildsensor (20) aufweist, und wobei das Objektiv (22) ein beidseitig telezentrisches Objektiv (22) mit einer optischen Achse (42) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (20) relativ zu der Auflagefläche (13) parallel zu einem Abbildungsstrahlengang (58) bewegbar ist, der das Objektiv (22) entlang der optischen Achse (42) durchläuft.
PCT/EP2016/074042 2015-10-09 2016-10-07 Verfahren zum vermessen eines messobjekts mit verbesserter messgenauigkeit und vorrichtung WO2017060454A1 (de)

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