WO2017067903A1 - Verfahren zum ermitteln eines fokussierten bildabstands eines optischen sensors eines koordinatenmessgeräts - Google Patents

Verfahren zum ermitteln eines fokussierten bildabstands eines optischen sensors eines koordinatenmessgeräts Download PDF

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WO2017067903A1
WO2017067903A1 PCT/EP2016/074932 EP2016074932W WO2017067903A1 WO 2017067903 A1 WO2017067903 A1 WO 2017067903A1 EP 2016074932 W EP2016074932 W EP 2016074932W WO 2017067903 A1 WO2017067903 A1 WO 2017067903A1
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WO
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distance
optical sensor
workpiece
image
focus
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/074932
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian FIEKERS
Original Assignee
Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh filed Critical Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh
Publication of WO2017067903A1 publication Critical patent/WO2017067903A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining a focused image
  • Image distance of an optical sensor of a Koordinatenmessgerats on a workpiece to be measured wherein the optical sensor and the workpiece in a Z-direction relative to each other are movable, so that a distance in the Z-direction between the workpiece and the optical sensor is variable, with the following steps:
  • the present invention relates to a coordinate measuring machine with a
  • optical sensor and a control device for focusing the optical sensor.
  • Such a method and such a device are for example from the
  • Coordinate measuring machines are well known in the art. They serve, for example, to check workpieces within the framework of a quality assurance or to determine the geometry of a workpiece completely within the framework of a so-called "reverse engineering". In addition, a variety of other applications are conceivable.
  • tactile measuring sensors are known for this purpose, as sold for example by the applicant under the product name "Vast XT" or "VAST XXT".
  • the surface of the workpiece to be measured is touched with a stylus whose coordinates are constantly known in the measuring room.
  • a stylus can also be moved along the surface of a workpiece, so that in such a measuring operation in the context of a so-called “scanning method” a plurality of measuring points can be detected at fixed time intervals.
  • optical sensors which is a non-contact
  • an optical sensor is the optical sensor sold under the product name "ViScan” by the Applicant.
  • the sensors can then be used in various types of measurement setups.
  • An example of such a measuring setup is the product "O-Inspect" of the applicant.
  • both an optical sensor and a tactile sensor are used to perform various inspection tasks on a machine and ideally with a single setup of a workpiece to be measured. In this way, you can easily carry out all test tasks, for example in medical technology, plastics engineering, electronics and precision mechanics. Of course, various other structures are also conceivable beyond.
  • the measured workpiece is clamped on a table.
  • the table forms an XY plane. Perpendicular to this plane, i. in the Z direction of a Cartesian coordinate system, the optical sensor is spaced from the workpiece to be measured. Depending on the workpiece to be measured and the relative position of the optical sensor and the table relative to one another, the optical sensor is to be focused on the workpiece to be measured. As a rule, a focus in the Z direction is valid for all XY positions of the table.
  • the focusing is carried out automatically by the coordinate measuring machine. This is known to be such that a user first manually moves the optical sensor to a position or a distance to the workpiece to be measured, in which he expects about a maximum sharpness or focus on the workpiece. He then specifies a search range in the form of a length specification or a distance in the Z direction in which to search for the maximum sharpness or best focus.
  • the camera is then further removed from the workpiece to be measured by half of the predetermined search range and then moves toward the workpiece to the end of the search range.
  • images of this workpiece are detected by the optical sensor at certain time intervals and queried by the coordinate measuring device of the optical sensor.
  • a so-called focus value of a certain area of the requested image is then determined and the position or distance to the workpiece to be measured, in which the image request was sent, stored together with the focus value.
  • a so-called focus value curve can be applied. From this focus value curve, an extreme value can be determined. The distance associated with the extreme value then represents the distance in which the maximum sharpness or the best focusing of the optical sensor is present, and the optical sensor is set at this distance from the workpiece to be measured.
  • a variety of methods for determining a focus value are known. For example, an area of the images can be selected for the evaluation, in which an edge of a workpiece to be measured is located. In this area is then a very abrupt transition of color or light-dark transition.
  • a focus value may then be, for example, the maximum gradient of the gray level values of the image perpendicular to the edge. The sharper an image is set, the higher the gradient will be, since ideally there will be an abrupt transition from light to dark from one pixel to the next. The blurrier the image is set, the more continuous the light-dark transition and the lower the gradient.
  • many other options for determining a focus value are also conceivable and known.
  • Assigning image to the exact distance in which it was taken may result in inaccuracies of distance determination.
  • the time of use of an image from the optical sensor requested by the coordinate measuring machine never coincides with the time when the optical sensor has actually picked up the image supplied to the request.
  • images can be continuously taken by the optical sensor and made available directly for subsequent use. If the coordinate measuring machine, or its control device, requests an image, the current image is delivered. However, this means that the coordinate measuring machine, when it requests an image, receives an image that was generated and transmitted a certain time ago and thus actually already "older". Conversely, can be provided that the coordinate measuring, or its control device, in the optical sensor, an image in order.
  • DE 10 2007 039 981 A1 proposes to "fit" the determined focus values with a function in a certain range of the focus value curve and then to evaluate this curve.
  • publications 10 2005 009 554 A1 and WO 2006/125466 A1 show various proposals for determining focus values of recorded image stacks.
  • the focus value is that the precision of the position determination of the optical sensor and the reproducibility of the measurements are limited by vibrations when moving through the measuring range.
  • the optical sensor and / or the workpiece for stopping taking place in the second image intervals is brought to a standstill and detects the optical sensor with the second image distances second images of the workpiece, and wherein each detected second image, a second focus value and the respective second Image distance is assigned;
  • the image distance is within the meaning of the present invention, a position of the focal plane relative to the workpiece representing value at which the respective image is taken.
  • the optical sensor and / or the workpiece are brought to a standstill at the second image intervals, so that the optical sensor and the workpiece are at rest or at standstill when the second images are acquired.
  • a provisional approximation value of the focused image distance to be determined can be determined in a small amount of time Focused image distance is determined on the basis of the second determined focus values, which are detected at positions respectively at standstill of the optical sensor and the workpiece to allow precise determination of the focus values and to provide a precise focused image distance with reduced measurement effort.
  • the positions of the image shots can be positioned near the common approximation of the focused image distance, so that with a small number of second Measurements a precise determination of the focused image distance is possible. Since the second images are respectively recorded when the optical sensor and the workpiece are at a standstill, precise measurements of the second focus values can be determined without the interfering influence of vibrations, so that a precise and reproducible determination of the focused image distance is possible.
  • the focused image distance of the optical sensor can be determined with little time and at the same time with high precision and reproducibility.
  • a computer program product with a computer program which has program code means for carrying out a method according to the first aspect of the invention, if the computer program on a coordinate measuring machine or a data processing device of a coordinate measuring machine, in particular as an external unit to the Coordinate measuring device may be connected, or a control device of a coordinate measuring machine is executed.
  • Computer program product according to the third aspect of the invention have the same advantages as the method according to the first aspect of the invention.
  • the object initially posed is thus completely solved.
  • the first change of the distance takes place
  • respective first image distances are determined with little expenditure of time in an autofocus drive, so that the time required to determine the focused image distance can be reduced.
  • the second image distances are determined within a second capture region, wherein the second capture region is smaller than the first capture region.
  • corresponding second focus values can be reduced since the measuring range to be traveled is reduced.
  • Image distance are provided.
  • the provisional is focused
  • Image distance determined based on an extreme value of a function of the first focus values.
  • the provisional focused image distance is determined as the extreme value of the function of the first focus values in order to approach the focused image distance as precisely as possible, the second image distances being determined on the basis of the thus focused focusing. th image distance are determined.
  • the focused image distance can be determined with a small number of captured second images and second focus values, whereby the time required for determining the focused image distance can be further reduced.
  • the second capture region is determined in a predefined region around the extreme value of the first image distance.
  • the focused image distance is
  • the focused image distance can be determined precisely, since the second images and the second focus values only have to be determined at a few interpolation points, on the basis of which the function of the second focus values for determining the focused image distance are determined.
  • the function of the second focus values is determined by means of an interpolation method.
  • the focused image distance as the extreme value of the function can also be precisely determined between the measurement positions, as a result of which the focused image distance can be precisely determined with a small number of measurement positions and correspondingly less time spent on the measurement.
  • the function can be determined on the basis of a polynomial interpolation.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a coordinate measuring machine, an exemplary view of an image
  • FIG. 2b shows the focusing conditions when taking the image in FIG. 2a
  • FIG. 2c is a schematic view for explaining a focus value curve
  • FIG. 3 is a schematic flow diagram of a method for determining a focused image distance
  • FIG. 4 a shows a focus value curve on the basis of an autofocus method
  • Fig. 4b shows a focus value function determined on the basis of gradually detected
  • Fig. 1 shows a coordinate measuring machine 10.
  • the coordinate measuring machine 10 is used for
  • the coordinate measuring machine 10 has an optical sensor 14.
  • other sensors may be provided, such as tactile sensors, which are not shown in the present schematic view.
  • the workpiece 12 to be measured is arranged on a table 16.
  • the workpiece 12 to be measured is arranged on a table 16.
  • the table is aligned in an XY plane of a coordinate system 18. Extending perpendicularly to the table 16 is a Z-direction 20.
  • a distance between the optical sensor 14 and the workpiece 12 in the Z-direction 20 is designated by a reference numeral 22.
  • the optical sensor 14 and the table 16 or the workpiece 12 are movable relative to each other. In this way, the distance 22 can be changed.
  • both the optical sensor 14 and the table 16 are movable in the Z direction.
  • the coordinate measuring machine 10 has a control device 26.
  • the control device 26 is capable of moving the optical sensor 14 at a distance 22 relative to the workpiece 12 in such a way that the images recorded by means of the optical sensor 14 have a maximum sharpness.
  • an autofocusing function of the coordinate measuring machine 10 can be triggered.
  • the coordinate measuring machine 10 has a data processing device 28, which is set up in such a way that it makes a request for images of the optical sensor 14 and their evaluation and, based on these results, outputs a position of the optical sensor 14 in which a focusing of the optical sensor 14 is arranged on the workpiece 12. This is then adjusted by the control device 26.
  • the control device 26 and the data processing device 28 may also be a single unit or a single element, the data processing device 28 and the control device 26 are shown as separate units for illustrative purposes only.
  • a start distance 34 and an end distance 36 are defined which define a search range 38 between them.
  • the starting distance 34 has a greater distance 22 from the workpiece 12 than the end distance 36.
  • this can also be chosen vice versa.
  • the starting distance 34 is at a maximum possible distance 22 between optical sensor 14 and workpiece 12 is determined and the end distance 36 is set in a minimum possible distance 22 between the optical sensor 14 and the workpiece 12.
  • Fig. 2a shows an example of a during a focusing operation by the
  • optical sensor 14 recorded image.
  • Fig. 2b the recording conditions during the recording of the image shown in Fig. 2a are shown.
  • Focus value is a bright-dark transition over an edge 40 is used, which is visible in the image distance of the workpiece 12. Accordingly, a so-called “Area Of Interest (AOI)" 42 is defined in the image that has the edge 40 and is evaluated below. In the illustrated example, the edge 40 extends horizontally through the image. Accordingly, for example, a gray scale gradient in the vertical direction, ie perpendicular to the edge 40, within the AOI 42 can be used to form the focus value.
  • the optical sensor 14 is adjusted during the recording at a certain distance 22 to the workpiece 12. By way of example, provision may be made for a surface of the workpiece 12 facing the optical sensor 14 to be examined.
  • the optical sensor 14 has an optical system 44, which must be set up and arranged for optimal focusing in such a way that a tip 46 of a focus cone is arranged on the surface of the workpiece 12 to be viewed.
  • the focus cone is slightly within the workpiece 12, ie the distance 22 is slightly too small.
  • the image shown in FIG. 2a is slightly out of focus, ie a light-dark transition over the edge 40 has a relatively flat gradient.
  • the focus cone 46 would be located on the workpiece 12. The light-dark transition would then be more abrupt within the AOI 42 and the gradient correspondingly higher, so that a higher focus value would arise.
  • FIG. 2c shows schematically how a focus value curve results from a recorded image stack.
  • End distance 36 in the negative Z direction 20 images 48 are recorded.
  • the number of pictures may vary. It depends, among other things, on the components used, in particular the camera, on the size of the search area and the speed with which it traverses the search area. Furthermore, it can be provided that a minimum value for the number of images to be recorded is specified. For example, as a minimum value, a number of 25 can be specified. For example, if the search area has a size of 1 mm to be passed through, then the number of recorded images at a speed of about 0.9 mm per second may be in a range of 25 to 30 images. At a speed of 0.3 mm per second, for example, the number of pictures taken may be in a range of 25 to 100 pictures.
  • an image stack of a plurality of images 48 is generated.
  • Each image 48 is assigned an image distance 50.
  • the image distance 50 is a value representing the position of the focal plane relative to the workpiece in which the respective image is taken.
  • a focus value 52 is determined for each image 48.
  • the image distances 50 and the respective focus values 52 thus result in a set of points which, when the focus values 52 are connected, result in a focus value curve 54.
  • the focus value curve 54 thus extends over the entire traced search area 38.
  • the focus value curve 54 has an extreme value 56.
  • the extreme value distance 58 associated with this extreme value 56 is consequently the distance which, according to the evaluation, is the distance best possible focus of the optical sensor 14 on the workpiece 12 with the
  • a distance 59 between the start distance 34 and the end distance 36 is plotted.
  • the distance 59 is divided into two equal-length sections 59; From the user-initially set expected focused distance 32, the start distance 34 and the end distance 36 are determined to extend opposite each other starting from the expected focused distance 32 at the distance 59 ', respectively.
  • the starting distance 34 is farther from the workpiece than the end distance 36. However, this can of course also be chosen vice versa.
  • FIG. 3 shows a schematic flow diagram of a method for determining a focused image distance, which is designated generally by 100.
  • the capture area 38 with the starting distance 34 and the final distance 36 is first determined in step 102.
  • step 104 the capture region 38 is traversed as a measurement region, for example by moving the optical sensor 14 or the workpiece 12, and correspondingly first images are captured and a first focus value and a first image distance are assigned to each of the images.
  • the image acquisition preferably takes place in accordance with a trigger signal, whereupon the current position of the optical sensor 14 or of the workpiece 12 is read out and stored.
  • the passage through the catching area 38 or the measuring area can be carried out as a fast continuous uniform movement.
  • the focus values 52 as a function of the distance 22 between the workpiece 12 and the optical sensor 14 result in a set of points representing a focus value curve 54, which is shown in FIG. 4a and explained in more detail below.
  • the focus values 52 are evaluated and a plurality of measurement positions in the form of different distances 22 between the workpiece 12 and the optical sensor 14 are determined as interpolation points for a subsequent focus measurement.
  • the measuring positions are defined by an extreme value of the focus value curve 54 in a second capture region, the second capture region being smaller than the first capture region 38.
  • the number of measurement positions as interpolation points is greater than or equal to 3.
  • a maximum value of the focus values 52 may be determined as a preliminary focused image distance and directly form the basis for determining the vertices, or the focus value curve 54 may be adjusted by an approximation or interpolation method, and the extreme value of the thus adjusted focus value curve 54 may be the basis for the determination of the Form support points.
  • step 108 a measuring position of the fulcrums is approached by moving or moving the optical sensor 14 or the workpiece 12 and bringing the movable optical sensor 14 or the movable workpiece 12 to a standstill. Subsequently, when the optical sensor 14 and the workpiece 12 are at a standstill, a second image is acquired and a second focus value corresponding to the image distance 22 thus set is determined.
  • step 1 10 a query is made as to whether all interpolation points determined in step 106 have been approached and images have been correspondingly acquired. Unless all the interpolation points have been approached, step 108 is repeated and the corresponding next interpolation point is approached and an image is acquired after the optical sensor 14 or the workpiece 12 has stopped.
  • a focus value function is determined at step 1 12, by means of an interpolation method.
  • FIG. 4b shows the focus values thus determined as a function of the distance 22 at the interpolation points.
  • the determined focus values are generally designated 120 and the values determined from the focus values 120.
  • te focus value function is generally designated 122.
  • the support positions or the measurement positions at which the focus values 120 are detected are defined in a second capture region 124 and correspondingly arranged around an extreme value of the focus value curve 54.
  • the second capture region 124 may be defined at a predefined distance around the maximum of the focus values 52 or around the extreme value of the focus value curve 54, for example in a range of ⁇ 3 mm around the extreme value or the maximum value.
  • the second capture range 124 may be defined in a confidence range of the focus values 52 or the focus value curve 54 around the maximum of the focus values 52 or around the extreme value of the focus value curve 54.
  • the focus value function 122 may be determined by second, third or higher order polynomial interpolation.
  • step 1 14 an extreme value 124 of the focus value function 122 is determined, as also shown in Fig. 4b.
  • the extreme value 124 of the focus value function 122 corresponds to the final focused image distance of the optical sensor 14 to be determined for the workpiece 12.
  • Focus values 120 are detected, can be reproducibly determined based on the thus precisely determined focus values 120 of the final focused image distance. As a result, in particular the depth of field can be improved.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstands eines optischen Sensors (14) eines Koordinatenmessgeräts (10) auf ein zu vermessendes Werkstück (12), wobei der optische Sensor (14) unddas Werkstück (12) in einer Z-Richtung (20) relativ zueinander bewegbar sind, so dass ein Abstand (22) in der Z-Richtung (20) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14) veränderbar ist, mit den folgenden Schritten:Festlegen (102) eines Fangbereichs (38) zwischen einem ersten Abstand als Startabstand (34) und einem zweiten Abstand als Endabstand (36); Erstes Verändern des Abstands (22) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14) innerhalb des Fangbereichs (38), wobei der optische Sensor (14) während des Veränderns des Abstands (22) erste Bilder des Werkstücks (12) erfasst, und wobei jedem erfassten ersten Bild ein erster Fokuswert (52) und ein erster Bildabstand zugeordnet wird; Auswerten (106) der ersten Fokuswerte und Bestimmen eines vorläufigen fokussierten Bildabstandes auf der Grundlage der ersten Fokuswerte (52) und Bestimmen einer Mehrzahl von zweiten Bildabständen auf der Grundlage des vorläufigen fokussierten Bildabstandes; zweites Verändern (108) des Abstands (22) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14), wobei der optische Sensor (14) und/oder das Werkstück (12) zur in den zweiten Bildabständen erfolgenden Bildaufnahme jeweils zum Stillstand gebracht wird und der optische Sensor (14) mit den zweiten Bildabständen zweite Bilder des Werkstücks (12) erfasst, und wobei jedem erfassten zweiten Bild ein zweiter Fokuswert (120) und der jeweilige zweiter Bildabstand zugeordnet wird; und Auswerten (114) der zweiten Fokuswerte (120) und Ermitteln des fokussierten Bildabstands auf der Grundlage der zweiten Fokuswerte (120).

Description

Verfahren zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstands eines optischen Sensors eines
Koordinatenmessgerats
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines fokussierten
Bildabstands eines optischen Sensors eines Koordinatenmessgerats auf ein zu vermessendes Werkstück, wobei der optische Sensor und das Werkstück in einer Z-Richtung relativ zueinander bewegbar sind, so dass ein Abstand in der Z-Richtung zwischen dem Werkstück und dem optischen Sensor veränderbar ist, mit den folgenden Schritten:
- Festlegen eines Fangbereichs zwischen einem ersten Abstand als Startabstand und einem zweiten Abstand als Endabstand;
Erstes Verändern des Abstands zwischen dem Werkstück und dem optischen Sensor innerhalb des Fangbereichs, wobei der optische Sensor während des Ver- änderns des Abstands erste Bilder des Werkstücks erfasst, und wobei jedem er- fassten ersten Bild ein erster Fokuswert und ein erster Bildabstand zugeordnet wird.
[0002] Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Koordinatenmessgerät mit einem
optischen Sensor und einer Regelungseinrichtung zur Fokussierung des optischen Sensors.
[0003] Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind beispielsweise aus der
Druckschrift DE 10 2007 039 981 A1 bekannt.
[0004] Koordinatenmessgeräte sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Sie dienen dazu, beispielsweise im Rahmen einer Qualitätssicherung Werkstücke zu überprüfen oder die Geometrie eines Werkstücks vollständig im Rahmen eines sog. "Reverse Engineering" zu ermitteln. Darüber hinaus sind vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar.
[0005] In derartigen Koordinatenmessgeräten können verschiedene Arten von Sensoren zur
Anwendung kommen, um die Koordinaten eines zu vermessenden Werkstücks zu erfassen. Beispielsweise sind hierzu taktil messende Sensoren bekannt, wie sie beispielsweise von der Anmelderin unter der Produktbezeichnung "Vast XT" oder "VAST XXT" vertrieben werden. Hierbei wird die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks mit einem Taststift angetastet, dessen Koordinaten im Messraum ständig bekannt sind. Ein derartiger Taststift kann auch entlang der Oberfläche eines Werkstücks bewegt werden, so dass in einem solchen Messvorgang im Rahmen eines sog. "Scanning-Verfahrens" eine Vielzahl von Messpunkten in festgelegten zeitlichen Abständen erfasst werden kann.
[0006] Darüber hinaus ist es bekannt, optische Sensoren einzusetzen, die ein berührungsloses
Erfassen der Koordinaten eines Werkstücks ermöglichen. Ein Beispiel für einen derartigen optischen Sensor ist der unter der Produktbezeichnung "ViScan" von der Anmelderin vertriebene optische Sensor. Die Sensoren können dann in verschiedenen Arten von Messaufbauten verwendet werden. Ein Beispiel für einen solchen Messaufbau ist das Produkt "O-Inspect" der Anmelderin. Bei einem derartigen Gerät finden sowohl ein optischer Sensor als auch ein taktiler Sensor Anwendung, um verschiedene Prüfaufgaben an einer Maschine und idealerweise mit einer einzigen Aufspannung eines zu vermessenden Werkstücks durchzuführen. Auf diese Weise lassen sich einfach sämtliche Prüfaufgaben beispielsweise in der Medizintechnik, der Kunststofftechnik, der Elektronik und der Feinmechanik durchführen. Selbstverständlich sind darüber hinaus auch verschiedene andere Aufbauten denkbar.
In einem Gerät, wie beispielsweise dem "O-Inspect", wird das vermessene Werkstück auf einem Tisch aufgespannt. Der Tisch bildet dabei eine X- Y-Ebene. Senkrecht von dieser Ebene, d.h. in Z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems, ist der optische Sensor von dem zu vermessenden Werkstück beabstandet. Abhängig von dem zu vermessenden Werkstück und der relativen Position des optischen Sensors und des Tischs zueinander ist der optische Sensor auf das zu vermessende Werkstück zu fokus- sieren. In der Regel gilt dabei für alle X- Y-Positionen des Tischs eine Fokussierung in Z- Richtung.
Die Fokussierung wird dabei automatisch von dem Koordinatenmessgerät durchgeführt. Dies erfolgt bekannterweise derart, dass ein Anwender den optischen Sensor zunächst manuell auf eine Position bzw. einen Abstand zu dem zu vermessenden Werkstück bewegt, in dem er etwa eine maximale Schärfe bzw. Fokussierung auf das Werkstück erwartet. Er gibt dann einen Suchbereich in Form einer Längenangabe bzw. einer Entfernung in Z-Richtung vor, in der nach der maximalen Schärfe bzw. besten Fokussierung gesucht werden soll.
Die Kamera wird dann um die Hälfte des vorgegebenen Suchbereichs weiter von dem zu vermessenden Werkstück entfernt und bewegt sich dann bis zum Ende des Suchbereichs auf das Werkstück zu. Während dieser Kamerafahrt werden mittels des optischen Sensors in bestimmten Zeitintervallen Bilder dieses Werkstücks erfasst und von dem Koordinatenmessgerät von dem optischen Sensor abgefragt. Im Rahmen einer Auswertung wird dann ein sog. Fokuswert eines bestimmten Bereichs des abgefragten Bildes ermittelt und die Position bzw. der Abstand zu dem zu vermessenden Werkstück, in dem die Bildanforderung abgeschickt wurde, zusammen mit dem Fokuswert gespeichert. Mit der so ermittelten Vielzahl von Fokuswerten und den jeweils zugehörigen Abständen zu dem zu vermessenden Werkstück lässt sich eine sog. Fokuswertkurve auftragen. Aus dieser Fokuswertkurve lässt sich ein Extremwert bestimmen. Der zu dem Extremwert dazugehörige Abstand stellt dann denjenigen Abstand dar, in dem die maximale Schärfe bzw. die beste Fokussierung des optischen Sensors vorliegt und der optische Sensor wird in diesem Abstand zu dem zu vermessenden Werkstück eingestellt.
[0011] Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren zum Bestimmen eines Fokuswerts bekannt. Beispielsweise kann für die Auswertung ein Bereich der Bilder ausgewählt werden, in dem eine Kante eines zu vermessenden Werkstücks liegt. In diesem Bereich befindet sich dann ein sehr abrupter Farbübergang bzw. Hell-Dunkel-Übergang. Ein Fokuswert kann dann beispielsweise der maximale Gradient der Graustufenwerte des Bildes senkrecht zu der Kante sein. Je schärfer ein Bild eingestellt ist, desto höher wird der Gradient sein, da idealerweise ein abrupter Übergang von Hell zu Dunkel von einem Pixel auf den nächsten erfolgt. Je unschärfer das Bild eingestellt ist, desto kontinuierlicher ist der Hell-Dunkel-Übergang und desto geringer ist der Gradient. Selbstverständlich sind darüber hinaus auch viele weitere Möglichkeiten zur Bestimmung eines Fokuswerts denkbar und bekannt.
[0012] Wenn bei derartigen Verfahren systembedingt keine Möglichkeit besteht, einem jeweiligen
Bild den exakten Abstand direkt zuzuordnen, in dem es aufgenommen wurde, kann es zu Ungenauigkeiten der Abstandsbestimmung kommen. Bei einer kontinuierlichen Kamerafahrt durch den Suchbereich stimmt der Zeitpunkt der Verwendung eines Bildes von dem optischen Sensor durch das Koordinatenmessgerät angeforderten Bildes niemals mit dem Zeitpunkt überein, in dem der optische Sensor das auf die Anfrage gelieferte Bild tatsächlich aufgenommen hat. Zum Beispiel können durch den optischen Sensor kontinuierlich Bilder aufgenommen und für eine nachfolgende Verwendung direkt zur Verfügung gestellt werden. Fragt das Koordinatenmessgerät, bzw. seine Regelungseinrichtung, ein Bild ab, so wird das jeweils aktuelle Bild geliefert. Dies bedeutet jedoch, dass das Koordinatenmessgerät, wenn es ein Bild anfordert, ein Bild erhält, das vor einem gewissen Zeitraum erzeugt und übertragen wurde und somit eigentlich schon "älter" ist. Umgekehrt kann vorgesehen sein, dass das Koordinatenmessgerat, bzw. seine Regelungseinrichtung, bei dem optischen Sensor ein Bild in Auftrag gibt. Je nach den verwendeten Systemkomponenten kann es unterschiedlich lange dauern, bis dann ein Bild von einem optischen Sensor aufgenommen wird und zur Verfügung steht. Der Abstand zum Zeitpunkt der Aufnahme ist dann ein anderer als der Abstand zum Zeitpunkt des In-Auftrag-Gebens des Bildes, da sich die Kamera zwischenzeitlich schon bewegt hat oder es zu anderen Störeinflüssen durch das Verfahren der Maschine kommt. Der zu einem bestimmten Bild hinterlegte Abstand zwischen optischem Sensor und zu vermessendem Werkstück ist somit niemals der tatsächliche Abstand.
[0013] Daher ist natürlich auch dann, wenn ein Bild ermittelt wurde, das eine maximale Schärfe aufweist, der für dieses Bild hinterlegte Abstand, auf den der optische Sensor zur Fokus- sierung eingestellt wird, nicht derjenige Abstand, in dem die maximale Schärfe auch tatsächlich erreicht wurde. Einem derartigen System ist somit ein gewisser Fehler inhärent.
[0014] Eine Möglichkeit, die Ermittlung einer optimalen Fokussierung eines optischen Sensors einzustellen, ist beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2009 027 353 A1 gezeigt. Hier ist für den bestimmten optischen Sensor eine normalisierte Fokuswertkurve hinterlegt. Dadurch kann bereits mit einer geringen Anzahl von Aufnahmen eine momentane Lage des optischen Sensors auf der normalisierten Fokuswertkurve ermittelt und der optische Sensor dann in eine Position gebracht werden, die auf der normalisierten Fokuswertkurve einer optimalen Position entspricht. Auf diese Weise kann zwar eine relativ zügige Auto- fokussierung bereitgestellt werden, in der Regel werden jedoch nicht die für die Koordina- tenmesstechnik erforderlichen Genauigkeitsanforderungen erfüllt. Darüber hinaus zeigt diese Druckschrift mehrere Beispiele für die Bestimmung von Fokuswerten.
[0015] Darüber hinaus sind mehrere weitere Möglichkeiten zur Erhöhung der Genauigkeit eines
Verfahrens zur Bestimmung der bestmöglichen Fokussierung eines optischen Sensors vorgeschlagen worden. Beispielsweise wird in der eingangs genannten Druckschrift DE 10 2007 039 981 A1 vorgeschlagen, in einem bestimmten Bereich der Fokuswertkurve die ermittelten Fokuswerte mit einer Funktion zu "fitten" und dann diese Kurve auszuwerten.
Darüber hinaus ist beispielsweise aus den Druckschriften DE 102 15 135 A1 und DE 10 2007 003 059 A1 bekannt, mehrere verschiedene Fokuskriterien an einem Bild zu ermitteln und diese etwa aufzusummieren oder gewichtet zu mittein, um möglichst genau die Lage des Abstands der maximalen Schärfe zu ermitteln.
Des Weiteren zeigen die Druckschriften 10 2005 009 554 A1 und WO 2006/125466 A1 verschiedene Vorschläge zur Bestimmung von Fokuswerten aufgenommener Bildstapel.
Nachteilig bei allen bekannten Verfahren zur Ermittlung der Position des besten
Fokuswertes ist, dass durch Vibrationen beim Durchfahren des Messbereichs die Genau igkeit der Positionsbestimmung des optischen Sensors und die Reproduzierbarkeit der Messungen begrenzt ist.
Vor diesem Hintergrund ist es eine technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstands eines optischen Sensors eines Koordinatenmessgeräts und ein Koordinatenmessgerät bereitzustellen, bei dem die Ermittlung des bestmöglichen fokussierten Bildabstands bei gleichbleibend hoher Genau igkeit und mit geringem Zeitaufwand erfolgt.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird daher vorgeschlagen, das eingangs genannte Verfahren durch die folgenden Schritte fortzubilden:
Auswerten der ersten Fokuswerte und Bestimmen eines vorläufigen fokussierten Bildabstandes auf der Grundlage der ersten Fokuswerte und Bestimmen einer Mehrzahl von zweiten Bildabständen auf der Grundlage des vorläufigen fokussierten Bildabstandes; - zweites Verändern des Abstands zwischen dem Werkstück und dem optischen
Sensor, wobei der optische Sensor und/oder das Werkstück zur in den zweiten Bildabständen erfolgenden Bildaufnahme jeweils zum Stillstand gebracht wird und der optische Sensor mit den zweiten Bildabständen zweite Bilder des Werkstücks erfasst, und wobei jedem erfassten zweiten Bild ein zweiter Fokuswert und der jeweilige zweite Bildabstand zugeordnet wird; und
- Auswerten der zweiten Fokuswerte und Ermitteln des fokussierten Bildabstands auf der Grundlage der zweiten Fokuswerte.
[0022] Der Bildabstand ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein die Lage der Fokusebene relativ zu dem Werkstück repräsentierender Wert, bei dem das jeweilige Bild aufgenommen wird.
[0023] Während des zweiten Veränderns des Abstandes kann der optische Sensor und/oder das
Werkstück bewegt werden, um den Abstand zu variieren. Zur Bildaufnahme werden in den zweiten Bildabständen entsprechend der optische Sensor und/oder das Werkstück zum Stillstand gebracht, so dass der optische Sensor und das Werkstück beim Erfassen der zweiten Bilder sich in Ruhe bzw. im Stillstand befinden.
[0024] Dadurch, dass der optische Sensor und/oder das Werkstück während des ersten
Veränderns des Abstands dem erfassten ersten Bild einen ersten Fokuswert und einen ersten Bildabstand zuordnet, kann innerhalb des Fangbereichs, der einen Messbereich zwischen dem Startabstand und dem Endabstand bildet, mit geringem Zeitaufwand ein vorläufiger Näherungswert des zu ermittelnden fokussierten Bildabstands bestimmt werden, wobei der zu ermittelnde fokussierte Bildabstand auf der Grundlage der zweiten ermittelten Fokuswerte bestimmt wird, die an Positionen jeweils im Stillstand des optischen Sensors und des Werkstücks erfasst werden, um eine präzise Bestimmung der Fokuswerte zu ermöglichen und einen präzisen fokussierten Bildabstand mit reduziertem Messaufwand bereitstellen zu können. Da die zweiten Bildabstände zum Erfassen der zweiten Bilder auf der Grundlage des vorläufigen fokussierten Bildabstandes und entsprechend auf der Grundlage der ersten Fokuswerte bestimmt werden, können die Positionen der Bildaufnahmen nahe dem voläufigen Näherungswert des fokussierten Bildabstandes positioniert werden, so dass mit einer geringen Anzahl von zweiten Messungen eine präzise Bestimmung des fokussierten Bildabstandes möglich ist. Da die zweiten Bilder jeweils im Stillstand des optischen Sensors und des Werkstücks erfasst werden, können präzise Messungen der zweiten Fokuswerte ohne den störenden Einfluss von Vibrationen bestimmt werden, so dass eine präzise und reproduzierbare Bestimmung des fokussierten Bildabstands möglich ist.
Durch die Kombination der Messung der ersten Bilder während des Veränderns des Abstandes zwischen dem optischen Sensor und dem Werkstück mit dem Erfassen der zweiten Bilder im Stillstand kann mit geringem Zeitaufwand und gleichzeitig mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit der fokussierte Bildabstand des optischen Sensors ermittelt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen, das eingangs genannte Koordinatenmessgerät dahingehend weiterzubilden, dass die Regelungseinrichtung zur Ausführung eines Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung eingerichtet ist.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird darüber hinaus ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm bereitgestellt, das Programmcodemittel zur Durchführung eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Koordinatenmessgerät oder einer Datenverarbeitungseinrichtung eines Koordinatenmessgeräts, die insbesondere auch als externe Einheit an das Koordinatenmessgerät angeschlossen sein kann, oder einer Regelungseinrichtung eines Koordinatenmessgeräts ausgeführt wird.
Das Koordinatenmessgerät gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und das
Computerprogrammprodukt gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weisen dieselben Vorteile wie das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf. [0030] Die eingangs gestellte Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
[0031] In einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das erste Verändern des Abstands
zwischen dem Werkstück und dem optischen Sensor innerhalb des Fangbereichs kontinuierlich.
[0032] Dadurch können die ersten Bilder und entsprechend die ersten Fokuswerte und die
jeweiligen ersten Bildabstände mit geringem Zeitaufwand in einer Autofokusfahrt ermittelt werden, so dass der Zeitaufwand zur Bestimmung des fokussierten Bildabstands reduziert werden kann.
[0033] In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden die zweiten Bildabstände innerhalb eines zweiten Fangbereichs bestimmt, wobei der zweite Fangbereich kleiner ist als der erste Fangbereich.
[0034] Dadurch kann der zeitliche Aufwand zur Bestimmung der zweiten Bilder und der
entsprechenden zweiten Fokuswerte reduziert werden, da der abzufahrende Messbereich reduziert ist.
[0035] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden drei zweite Bildabstände
innerhalb des zweiten Fangbereichs bestimmt.
[0036] Dadurch kann mit geringem Zeitaufwand eine präzise Bestimmung des fokussierten
Bildabstands bereitgestellt werden.
[0037] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der vorläufige fokussierte
Bildabstand auf der Grundlage eines Extremwerts einer Funktion der ersten Fokuswerte bestimmt.
[0038] Es wird dabei der vorläufige fokussierte Bildabstand als der Extremwert der Funktion der ersten Fokuswerte bestimmt, um den fokussierten Bildabstand möglichst präzise anzunähern, wobei die zweiten Bildabstände auf der Grundlage des so angenäherten fokussier- ten Bildabstandes bestimmt werden. Dadurch kann der fokussierte Bildabstand mit einer geringen Anzahl von erfassten zweiten Bildern und zweiten Fokuswerten bestimmt werden, wodurch der zeitliche Aufwand zur Bestimmung des fokussierten Bildabstandes weiter reduziert werden kann.
[0039] In einer weiteren Ausgestaltung wird der vorläufige fokussierte Bildabstand auf der
Grundlage eines Extremwerts der ersten Fokuswerte und einem zugeordneten ersten Bildabstand bestimmt.
[0040] Dadurch kann mit technisch geringem Aufwand ein Extremwert der Fokuswerte
ausgewählt werden als vorläufiger Näherungswert für den fokussierten Bildabstand, wodurch der technische Aufwand des Verfahrens insgesamt reduziert werden kann.
[0041] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der zweite Fangbereich in einem vordefinierten Bereich um den Extremwert des ersten Bildabstands bestimmt.
[0042] Dadurch kann der zeitliche Aufwand zur Bestimmung des fokussierten Bildabstands
reduziert werden, da die zweiten Bilder und die zweiten Fokuswerte in einem Bereich um den Näherungswert des fokussierten Bildabstands erfasst werden.
[0043] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der fokussierte Bildabstand als
Extremwert einer Funktion der zweiten Fokuswerte ermittelt.
[0044] Dadurch kann der fokussierte Bildabstand präzise bestimmt werden, da die zweiten Bilder und die zweiten Fokuswerte lediglich an wenigen Stützpunkten ermittelt werden müssen, auf deren Grundlage die Funktion der zweiten Fokuswerte zum Bestimmen des fokussierten Bildabstands ermittelt werden.
[0045] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Funktion der zweiten Fokuswerte mittels eines Interpolationsverfahrens bestimmt. Dadurch kann der fokussierte Bildabstand als Extremwert der Funktion auch zwischen den Messpositionen präzise bestimmt werden, wodurch mit einer geringen Anzahl von Messpositionen und einem entsprechend geringeren Zeitaufwand für die Messung der fokussierte Bildabstand präzise bestimmt werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann die Funktion auf der Grundlage einer Polynominterpolation bestimmt werden.
[0048] Dadurch ist eine präzise Bestimmung der Funktion der zweiten Fokuswerte mit geringem technischem Aufwand möglich.
Insgesamt kann durch das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durch die Kombination des Autofokusverfahrens zur Bestimmung eines Näherungswertes des fokussierten Bildabstandes mit der präzisen Bestimmung von zweiten Bildern und zweiten Fokuswerten im Stillstand des optischen Sensors oder des Werkstücks an bestimmten Positionen der fokussierte Bildabstand präzise und mit geringem Zeitaufwand reproduzierbar bestimmt werden.
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.
[0051] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: eine schematische Ansicht eines Koordinatenmessgeräts, eine beispielhafte Ansicht eines Bildes,
Fig. 2b die Fokussierungsverhältnisse bei der Aufnahme des Bildes in Fig. 2a, Fig. 2c eine schematische Ansicht zur Erläuterung einer Fokuswertkurve,
Fig. 3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstands,
Fig. 4a eine Fokuswertkurve ermittelt auf der Grundlage eines Autofokusverfahrens, und
Fig. 4b eine Fokuswertfunktion ermittelt auf der Grundlage von schrittweise erfassten
Fokuswerten.
[0052] Fig. 1 zeigt ein Koordinatenmessgerät 10. Das Koordinatenmessgerät 10 dient zum
Vermessen eines Werkstücks 12. Hierzu weist das Koordinatenmessgerät 10 einen optischen Sensor 14 auf. In Ergänzung zu dem optischen Sensor 14 können selbstverständlich noch weitere Sensoren vorgesehen sein, beispielsweise taktile Sensoren, die jedoch in der vorliegenden schematischen Ansicht nicht dargestellt sind.
[0053] Das zu vermessende Werkstück 12 ist auf einem Tisch 16 angeordnet. In der
dargestellten Ansicht ist der Tisch in einer X- Y-Ebene eines Koordinatensystems 18 ausgerichtet. Senkrecht zu dem Tisch 16 erstreckt sich eine Z-Richtung 20. Ein Abstand zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 in der Z-Richtung 20 ist mit einem Bezugszeichen 22 gekennzeichnet. Der optische Sensor 14 und der Tisch 16 bzw. das Werkstück 12 sind relativ zueinander bewegbar. Auf diese Weise kann der Abstand 22 verändert werden. Grundsätzlich kann hierzu vorgesehen sein, dass entweder der Tisch 16 zumindest in einer Z-Richtung bewegbar ist, oder dass der optische Sensor 14, beispielsweise mittels einer geeigneten Mechanik 24, in der Z-Richtung bewegbar ist. Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass sowohl der optische Sensor 14 als auch der Tisch 16 in der Z-Richtung bewegbar sind.
[0054] Der Einfachheit halber wird in den folgenden Ausführungen angenommen, dass der Tisch
16 bzw. das Werkstück 12 fest verbleibt und der optische Sensor 14 in der Z-Richtung bewegt wird, um den Abstand 22 zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 zu verändern. Dies muss jedoch nicht zwingend so sein.
[0055] Um den Abstand 22 derart zu verändern, dass der optische Sensor 14 auf das Werkstück
12 fokussiert ist, weist das Koordinatenmessgerät 10 eine Regelungseinrichtung 26 auf. Die Regelungseinrichtung 26 ist dazu in der Lage, den optischen Sensor 14 in einem Abstand 22 relativ zu dem Werkstück 12 derart zu bewegen, dass die mittels des optischen Sensors 14 aufgenommenen Bilder eine maximale Schärfe aufweisen. Hierzu kann eine Autofokussierungsfunktion des Koordinatenmessgeräts 10 ausgelöst werden. Des Weiteren weist das Koordinatenmessgerät 10 eine Datenverarbeitungseinrichtung 28 auf, die derart eingerichtet ist, dass sie eine Anforderung von Bildern des optischen Sensors 14 und ihre Auswertung durchführt und basierend auf diesen Ergebnissen eine Position des optischen Sensors 14 ausgibt, bei der eine Fokussierung des optischen Sensors 14 auf das Werkstück 12 eingerichtet ist. Diese wird dann durch die Regelungseinrichtung 26 eingestellt. Selbstverständlich kann es sich bei der Regelungseinrichtung 26 und der Datenverarbeitungseinrichtung 28 auch um eine einzige Einheit bzw. ein einziges Element handeln, die Datenverarbeitungseinrichtung 28 und die Regelungseinrichtung 26 sind lediglich zu Erläuterungszwecken als getrennte Einheiten dargestellt.
[0056] Darüber hinaus kann das Koordinatenmessgerät 10 ein Eingabegerät 30 aufweisen. Mit diesem kann ein Nutzer beispielsweise gewünschte Suchbereiche in das Koordinatenmessgerät 10 eingeben oder aber den optischen Sensor 14 manuell bewegen und so auch manuell einen Abstand 22 zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 einstellen.
[0057] Zu Beginn eines Verfahrens kann vorgesehen sein, dass ein Nutzer den optischen Sensor
14 etwa in die Nähe eines erwarteten fokussierten Abstands 32 einstellt. Ausgehend von diesem erwarteten fokussierten Abstand werden ein Startabstand 34 und ein Endabstand 36 festgelegt, die zwischen sich einen Suchbereich 38 definieren. In dem vorliegenden Beispiel weist der Startabstand 34 einen größeren Abstand 22 von dem Werkstück 12 als der Endabstand 36 auf. Selbstverständlich kann dieses auch umgekehrt gewählt sein. Alternativ kann des Weiteren vorgesehen sein, dass, falls keine Nutzereingabe zu Beginn erfolgen soll, der Startabstand 34 in einem maximal möglichen Abstand 22 zwischen optischem Sensor 14 und Werkstück 12 festgelegt wird und der Endabstand 36 in einem minimal möglichen Abstand 22 zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 festgelegt wird.
[0058] Fig. 2a zeigt ein Beispiel für ein während eines Fokussierungsvorgangs durch den
optischen Sensor 14 aufgenommenes Bild.
[0059] In der Fig. 2b sind die Aufnahmeverhältnisse während des Aufnehmens des in Fig. 2a dargestellten Bildes aufgezeigt.
[0060] In der dargestellten Ausführungsform kann beispielsweise vorgesehen sein, dass als ein
Fokuswert ein Hell-Dunkel-Übergang über eine Kante 40 herangezogen wird, die in dem Bildabstand des Werkstücks 12 sichtbar ist. Entsprechend wird eine sog. "Area Of Interest (AOI)" 42 in dem Bild festgelegt, die die Kante 40 aufweist und im Folgenden ausgewertet wird. In dem dargestellten Beispiel verläuft die Kante 40 horizontal durch das Bild. Entsprechend kann beispielsweise ein Graustufengradient in vertikaler Richtung, d.h. senkrecht zu der Kante 40, innerhalb der AOI 42 zur Bildung des Fokuswerts herangezogen werden. Der optische Sensor 14 ist während der Aufnahme in einem bestimmten Abstand 22 zu dem Werkstück 12 eingestellt. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass eine dem optischen Sensor 14 zugewandte Oberfläche des Werkstücks 12 untersucht werden soll. Der optische Sensor 14 weist ein optisches System 44 auf, das für eine optimale Fokus- sierung derart eingerichtet und angeordnet sein muss, dass eine Spitze 46 eines Fokuskegels auf der zu betrachtenden Oberfläche des Werkstücks 12 angeordnet wird. Im vorliegenden Beispiel liegt der Fokuskegel leicht innerhalb des Werkstücks 12, d.h. der Abstand 22 ist etwas zu klein. Entsprechend ist das in der Fig. 2a dargestellte Bild leicht unscharf, d.h. ein Hell-Dunkel-Übergang über die Kante 40 weist einen relativ flachen Gradienten auf. Im Falle einer maximalen Schärfe würde sich der Fokuskegel 46 auf dem Werkstück 12 befinden. Der Hell-Dunkel-Übergang würde dann innerhalb der AOI 42 abrupter und der Gradient entsprechend höher, so dass ein höherer Fokuswert entstehen würde. Entsprechend ist in der folgenden Erläuterung der Fokuswert im dargestellten Beispiel derart gewählt, dass ein größerer Fokuswert eine bessere Fokussierung wiedergibt, ein maximaler Fokuswert also eine maximale Schärfe und damit eine optimale Fokussierung des optischen Sensors 14 auf das Werkstück 12 wiedergibt. Selbstver- ständlich können auch alle anderen bekannten Fokuswerte allein oder in Kombinationen verwendet werden, zusätzlich kann es auch möglich sein, dass sich für einen minimalen Fokuswert eine maximale Schärfe bzw. optimale Fokussierung ergibt.
[0061] In der Fig. 2c ist schematisch dargestellt, wie sich aus einem aufgenommenen Bildstapel eine Fokuswertkurve ergibt.
[0062] Bei dem Durchfahren des Suchbereichs 38 von dem Startabstand 34 in Richtung des
Endabstands 36 in negative Z-Richtung 20 werden Bilder 48 aufgenommen. Die Anzahl der Bilder kann variieren. Sie ist unter anderem abhängig von den verwendeten Komponenten, insbesondere der Kamera, von der Größe des Suchbereichs und der Geschwindigkeit bei dem Durchfahren des Suchbereichs. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass ein Mindestwert für die Anzahl der aufzunehmenden Bilder vorgegeben wird. Beispielsweise kann als Mindestwert eine Anzahl von 25 vorgegeben werden. Bei einem zu durchfahrenden Suchbereich mit einer Größe von beispielsweise 1 mm kann dann die Anzahl der aufgenommenen Bilder bei einer Geschwindigkeit von etwa 0,9 mm pro Sekunde in einem Bereich von 25 bis 30 Bildern liegen. Bei einer Geschwindigkeit von 0,3 mm pro Sekunde kann die Anzahl der aufgenommenen Bilder beispielsweise in einem Bereich von 25 bis 100 Bildern liegen.
[0063] Auf diese Weise wird ein Bildstapel aus mehreren Bildern 48 erzeugt. Jedem Bild 48 ist ein Bildabstand 50 zugeordnet. Der Bildabstand 50 ist ein Wert, der die Lage der Fokusebene relativ zu dem Werkstück, in dem das jeweilige Bild aufgenommen wird, repräsentiert.
[0064] Für jedes Bild 48 wird dabei ein Fokuswert 52 ermittelt. Aus den Bildabständen 50 und den jeweiligen Fokuswerten 52 ergibt sich somit eine Punkteschar, die, wenn die Fokuswerte 52 verbunden werden, eine Fokuswertkurve 54 ergeben. Die Fokuswertkurve 54 erstreckt sich somit dann über den gesamten abgefahrenen Suchbereich 38. Die Fokuswertkurve 54 weist einen Extremwert 56 auf. Der diesem Extremwert 56 zugehörige Extremwertabstand 58 ist folglich derjenige Abstand, der gemäß der Auswertung die bestmögliche Fokussierung des optischen Sensors 14 auf das Werkstück 12 mit der
maximalen Schärfe des dann aufgenommenen Bildes 48 anzeigt.
Des Weiteren ist in der Fig. 2c eine Entfernung 59 zwischen dem Startabstand 34 und dem Endabstand 36 aufgetragen. Die Entfernung 59 unterteilt sich in zwei gleich lange Abschnitte 59; ausgehend von dem von einem Nutzer zunächst eingestellten erwarteten fokussierten Abstand 32 werden der Startabstand 34 und der Endabstand 36 derart bestimmt, dass sie sich entgegengesetzt zueinander ausgehend von dem erwarteten fokussierten Abstand 32 jeweils in der Entfernung 59' erstrecken. In dem dargestellten Beispiel ist der Startabstand 34 weiter von dem Werkstück entfernt als der Endabstand 36. Dies kann aber selbstverständlich auch umgekehrt gewählt sein.
[0066] Fig. 3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstandes, das allgemein mit 100 bezeichnet ist.
Nach Beginn des Verfahrens wird zunächst in Schritt 102 der Fangbereich 38 mit dem Startabstand 34 und dem Endabstand 36 festgelegt.
Danach wird in Schritt 104 der Fangbereich 38 als Messbereich, beispielsweise durch Verfahren des optischen Sensors 14 oder des Werkstücks 12 durchfahren, und es werden entsprechend erste Bilder erfasst und jedem der Bilder ein erster Fokuswert und ein erster Bildabstand zugeordnet. Die Bilderfassung erfolgt vorzugsweise entsprechend eines Triggersignals, worauf die aktuelle Position des optischen Sensors 14 oder des Werkstücks 12 ausgelesen und gespeichert wird. Das Durchfahren des Fangbereichs 38 bzw. des Messbereichs kann dabei als schnelle kontinuierliche gleichförmige Bewegung ausgeführt werden.
[0069] Die Fokuswerte 52 in Abhängigkeit des Abstandes 22 zwischen dem Werkstück 12 und dem optischen Sensor 14 ergeben eine Punkteschar, die eine Fokuswertkurve 54 wiedergibt, die in Fig. 4a gezeigt ist und im Folgenden näher erläutert ist. Im folgenden Schritt 106 werden die Fokuswerte 52 ausgewertet und eine Mehrzahl von Messpositionen in Form von unterschiedlichen Abständen 22 zwischen dem Werkstück 12 und dem optischen Sensor 14 als Stützpunkte für eine folgende Fokusmessung bestimmt. Die Messpositionen sind dabei in einem zweiten Fangbereich um einen Extremwert der Fokuswertkurve 54 definiert, wobei der zweite Fangbereich kleiner ist als der erste Fangbereich 38. Die Anzahl der Messpositionen als Stützpunkte ist größer oder gleich 3.
Ein Maximalwert der Fokuswerte 52 kann als vorläufiger fokussierter Bildabstand bestimmt werden und direkt die Grundlage für die Bestimmung der Stützpunkte bilden oder die Fokuswertkurve 54 kann mittels eines Näherungs- oder Interpolationsverfahrens angepasst werden und der Extremwert der so angepassten Fokuswertkurve 54 kann die Grundlage für die Bestimmung der Stützpunkte bilden.
In Schritt 108 wird eine Messposition der Stützpunkte durch bewegen oder verfahren des optischen Sensors 14 oder des Werkstücks 12 angefahren und der bewegliche optische Sensor 14 oder das bewegliche Werkstück 12 zum Stillstand gebracht. Anschließend wird im Stillstand des optischen Sensors 14 und des Werkstücks 12 ein zweites Bild erfasst und entsprechend ein zweiter Fokuswert für den so eingestellten Bildabstand 22 bestimmt.
In Schritt 1 10 wird abgefragt, ob alle Stützpunkte, die in Schritt 106 bestimmt wurden, angefahren worden sind und entsprechend Bilder erfasst wurden. Sofern nicht alle Stützpunkte angefahren worden sind, wird Schritt 108 wiederholt und der entsprechend nächste Stützpunkt angefahren und nach Stillstand des optischen Sensors 14 oder des Werkstücks 12 ein Bild erfasst.
Wenn alle Stützpunkte angefahren sind und die entsprechenden Fokuswerte für die erfassten Bilder bestimmt sind, wird bei Schritt 1 12 eine Fokuswertfunktion bestimmt, und zwar mittels eines Interpolationsverfahrens. In Fig. 4b sind die so an den Stützpunkten ermittelten Fokuswerte in Abhängigkeit des Abstandes 22 dargestellt. Die ermittelten Fokuswerte sind allgemein mit 120 bezeichnet und die aus den Fokuswerten 120 ermittel- te Fokuswertfunktion ist allgemeine mit 122 bezeichnet. Die Stützpositionen bzw. den Messpositionen an denen die Fokuswerte 120 erfasst werden sind in einem zweiten Fangbereich 124 definiert sind und entsprechend um einen Extremwert der Fokuswertkurve 54 angeordnet. Der zweite Fangbereich 124 kann in einem vordefinierten Abstand um das Maximum der Fokuswerte 52 oder um den Extremwert der Fokuswertkurve 54 herum definiert werden, beispielsweise in einem Bereich von ± 3mm um den Extremwert oder den Maximalwert. Alternativ kann der zweite Fangbereich 124 in einem Konfidenzbereich der Fokuswerte 52 oder der Fokuswertkurve 54 um das Maximum der Fokuswerte 52 oder um den Extremwert der Fokuswertkurve 54 herum definiert werden. Die Fokuswertfunktion 122 kann mittels einer Polynominterpolation zweiter, dritter oder höherer Ordnung bestimmt werden.
In Schritt 1 14 wird ein Extremwert 124 der Fokuswertfunktion 122 bestimmt, wie es auch in Fig. 4b gezeigt ist. Der Extremwert 124 der Fokuswertfunktion 122 entspricht dem zu bestimmenden endgültigen fokussierten Bildabstand des optischen Sensors 14 zu dem Werkstück 12.
Durch das zweistufige Verfahren mit einer Messung der Fokuswerte 52 während des Veränderns des Abstands zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 und dem nachfolgenden Schritt, bei dem die Stützpositionen 120 einzeln angefahren werden und bei einem Stillstand des optischen Sensors 14 und des Werkstücks 12 die Fokuswerte 120 erfasst werden, kann auf der Grundlage der so präzise bestimmten Fokuswerte 120 der endgültige fokussierte Bildabstand reproduzierbar ermittelt werden. Dadurch kann insbesondere die Tiefenschärfe verbessert werden.

Claims

Patentansprüche Verfahren (100) zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstands eines optischen Sensors (14) eines Koordinatenmessgerats (10) auf ein zu vermessendes Werkstück (12), wobei der optische Sensor (14) und das Werkstück (12) in einer Z- Richtung (20) relativ zueinander bewegbar sind, so dass ein Abstand (22) in der Z- Richtung (20) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14) veränderbar ist, mit den folgenden Schritten:
- Festlegen (102) eines Fangbereichs (38) zwischen einem ersten Abstand als Startabstand (34) und einem zweiten Abstand als Endabstand (36);
- Erstes Verändern des Abstands (22) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14) innerhalb des Fangbereichs (38), wobei der optische Sensor (14) während des Veränderns des Abstands (22) erste Bilder des Werkstücks (12) erfasst, und wobei jedem erfassten ersten Bild ein erster Fokuswert (52) und ein erster Bildabstand zugeordnet wird; gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Auswerten (106) der ersten Fokuswerte (52) und Bestimmen eines vorläufigen fokussierten Bildabstandes auf der Grundlage der ersten Fokuswerte (52) und Bestimmen einer Mehrzahl von zweiten Bildabständen auf der Grundlage des vorläufigen fokussierten Bildabstandes;
- zweites Verändern (108) des Abstands (22) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14), wobei der optische Sensor (14) und/oder das Werkstück (12) zur in den zweiten Bildabständen erfolgenden Bildaufnahme jeweils zum Stillstand gebracht wird und der optische Sensor (14) mit den zweiten Bildabständen zweite Bilder des Werkstücks (12) erfasst, und wobei jedem erfassten zweiten Bild ein zweiter Fokuswert (120) und der jeweilige zweite Bildabstand zugeordnet wird (50); und - Auswerten (1 14) der zweiten Fokuswerte (120) und Ermitteln des fokussier- ten Bildabstands auf der Grundlage der zweiten Fokuswerte (120).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verändern des Abstands (22) zwischen dem Werkstück (12) und dem optischen Sensor (14) innerhalb des Fangbereichs (38) kontinuierlich erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Bildabstände innerhalb eines zweiten Fangbereichs (124) bestimmt werden und der zweite Fangbereich (124) kleiner als der erste Fangbereich (38) ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
wenigsten drei zweite Bildabstände innerhalb eines zweiten Fangbereichs (124) bestimmt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vorläufige fokussierte Bildabstand auf der Grundlage eines Extremwerts einer Funktion (54) der ersten Fokuswerte (52) bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vorläufige fokussierte Bildabstand auf der Grundlage eines Extremwerts der ersten Fokuswerte (52) und einem zugeordneten ersten Bildabstand bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fangbereich (124) in einem vordefinierten Bereich um den Extremwert des ersten Bildabstands bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der fokussierte Bildabstand als Extremwert (126) einer Funktion der zweiten Fokuswerte (120) ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion (122) der zweiten Fokuswerte (120) mittels eines Interpolationsverfahrens bestimmt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion (122) auf der Grundlage einer Polynominterpolation bestimmt wird.
1 1 . Koordinatenmessgerät (10) mit einem optischen Sensor (14) und einer Regelungseinrichtung (26) zur Fokussierung des optischen Sensors (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (26) zur Ausführung eines Verfahrens (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 eingerichtet ist.
12. Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Programmcodemittel zur Durchführung eines Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist, wenn dass Computerprogramm auf einem Koordinatenmessgerät (10) ausgeführt wird.
PCT/EP2016/074932 2015-10-19 2016-10-18 Verfahren zum ermitteln eines fokussierten bildabstands eines optischen sensors eines koordinatenmessgeräts WO2017067903A1 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11434130B2 (en) 2019-12-31 2022-09-06 Texas Instruments Incorporated Surface micromachined structures

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5151609A (en) * 1989-08-02 1992-09-29 Hitachi, Ltd. Method of detecting solid shape of object with autofocusing and image detection at each focus level
DE10215135A1 (de) 2001-04-18 2002-10-24 Zeiss Carl Verfahren zur automatischen Regelung von Fokus und Beleuchtung, sowie zur objektivierten Antastung des Kantenortes in der optischen Präzisionsmesstechnik
DE102005009554A1 (de) 2005-03-02 2006-09-21 Infineon Technologies Ag Verfahren zur Fokuskorrektur eines Belichtungsgeräts bei der lithographischen Projektion und Verfahren zur Auswertung von Messergebnissen eines Messgeräts für die Fokuskorrektur eines Belichtungsgeräts in einer Halbleiterfertigungsanlage sowie Halbleiterfertigungsanlage
WO2006125466A1 (de) 2005-05-25 2006-11-30 Olympus Soft Imaging Solutions Gmbh Verfahren zur optischen abtastung einer probe
DE102007003059A1 (de) 2007-01-15 2008-07-24 Technische Universität Ilmenau Verfahren zur objektivierten Fokussierung für die optische Längenmesstechnik
DE102007039981A1 (de) 2007-08-23 2009-02-26 Vistec Semiconductor Systems Gmbh Verfahren zur Bestimmung der idealen Fokusposition von Substraten in einer Messmaschine
DE102009027353A1 (de) 2008-07-31 2010-02-04 Samsung Digital Imaging Co., Ltd., Suwon Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Fokuslinse
DE102011116734A1 (de) * 2011-10-19 2013-04-25 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh Verfahren zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstands eines optischen Sensors eines Koordinatenmessgeräts
US20130319122A1 (en) * 2012-05-31 2013-12-05 The Regents Of The University Of Michigan Laser-based edge detection
US20150006105A1 (en) * 2012-03-15 2015-01-01 Dmetrix, Inc. Prediction of a focal plane with progressive through-focus scans

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5151609A (en) * 1989-08-02 1992-09-29 Hitachi, Ltd. Method of detecting solid shape of object with autofocusing and image detection at each focus level
DE10215135A1 (de) 2001-04-18 2002-10-24 Zeiss Carl Verfahren zur automatischen Regelung von Fokus und Beleuchtung, sowie zur objektivierten Antastung des Kantenortes in der optischen Präzisionsmesstechnik
DE102005009554A1 (de) 2005-03-02 2006-09-21 Infineon Technologies Ag Verfahren zur Fokuskorrektur eines Belichtungsgeräts bei der lithographischen Projektion und Verfahren zur Auswertung von Messergebnissen eines Messgeräts für die Fokuskorrektur eines Belichtungsgeräts in einer Halbleiterfertigungsanlage sowie Halbleiterfertigungsanlage
WO2006125466A1 (de) 2005-05-25 2006-11-30 Olympus Soft Imaging Solutions Gmbh Verfahren zur optischen abtastung einer probe
DE102007003059A1 (de) 2007-01-15 2008-07-24 Technische Universität Ilmenau Verfahren zur objektivierten Fokussierung für die optische Längenmesstechnik
DE102007039981A1 (de) 2007-08-23 2009-02-26 Vistec Semiconductor Systems Gmbh Verfahren zur Bestimmung der idealen Fokusposition von Substraten in einer Messmaschine
DE102009027353A1 (de) 2008-07-31 2010-02-04 Samsung Digital Imaging Co., Ltd., Suwon Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Fokuslinse
DE102011116734A1 (de) * 2011-10-19 2013-04-25 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh Verfahren zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstands eines optischen Sensors eines Koordinatenmessgeräts
US20150006105A1 (en) * 2012-03-15 2015-01-01 Dmetrix, Inc. Prediction of a focal plane with progressive through-focus scans
US20130319122A1 (en) * 2012-05-31 2013-12-05 The Regents Of The University Of Michigan Laser-based edge detection

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