DE102015117276B4

DE102015117276B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Vermessen eines Messobjekts mit verbesserter Messgenauigkeit

Info

Publication number: DE102015117276B4
Application number: DE102015117276.3A
Authority: DE
Inventors: Philipp Jester; Frank Widulle; Wolfgang Singer
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2015-10-09
Publication date: 2018-09-06
Anticipated expiration: 2035-10-10
Also published as: WO2017060454A1; DE102015117276A1

Abstract

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 (110) des Bildsensors 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;• Erfassen (112) einer Mehrzahl von Bildern des Messobjekts (14) mittels der Bilderfassungseinrichtung (18) während des Schrittes des Bewegens des Bildsensors (20) relativ zu dem Messobjekt (14).

Description

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.
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.
Beispielsweise beschreibt US 6 538 691 B1 eine computerimplementierte Korrektur von Bildverzeichnungen einer digitalen Kamera.
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.
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.
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.
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.
Die Druckschriften US 2007 / 0 292 119 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.
Die Druckschrift DE 10 2004 047 928 A1 zeigt ein Messverfahren zur 3D-Vermessung räumlicher Objektoberflächen.
Die Druckschrift DE 102 27 862 A1 zeigt ein System zur Steuerung der Verstellung der Brennweite des Objektivs für digitale Photokameras, welches elektronische Signale von einer Mikrosteuerung erhält.
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.
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 Telezentriebereich 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.

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.
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 ΔZ_Bild führt zu einer Verschiebung der Fokalebene um ΔZ_Objekt = m² · ΔZ_Bild. 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 Telezentrierbereich des Objektivs hindurchzubewegen.
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.
Dies ermöglicht es, auch Merkmale in unterschiedlichen Höhen sehr schnell zu vermessen. Insbesondere bietet dies den Vorteil, dass keinerlei Bewegungen des Messobjekts 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 höhenkoordinatenabhängig bzw. abhängig von der Position der Fokalebene oder des Bildsensors erfasst und in einer Korrekturmatrix abgelegt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung kann des Weiteren ein Profilprojektor zum Bestimmen 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 in einem bildseitigen Telezentriebereich des Objektivs derart bewegbar ist, 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, wobei die Vorrichtung des Weiteren eine Antriebseinrichtung zum Bewegen des Bildsensors aufweist.
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.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bestimmen einer dimensionalen Eigenschaft eines Messobjekts, mit einem Messobjektträger bereitgestellt, 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, der das Objektiv entlang der optischen Achse durchläuft, in einem bildseitigen Telezentriebereich des Objektivs derart bewegbar ist, 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, wobei die Vorrichtung des Weiteren eine Antriebseinrichtung zum Bewegen des Bildsensors aufweist.
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.

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.
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 Höhenkoordinate 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 $Δ x (x, y) = x (1 + K_{1} r^{2} + K_{2} r^{4} + \dots)$
$Δ y (x, y) = y (1 + K_{1} r^{2} + K_{2} r^{4} + \dots)$
mit den Koeffizienten K_1,K₂, usw. und r² = x² + y². Da ein kompletter Stapel von Verzeichnungskarten zu parametrisieren ist, wird dieses Modell um eine z-Abhängigkeit erweitert zu: $Δ x (x, y; z_{i}) = x (1 + K_{1} (z_{i}) r^{2} + K_{2} (z_{i}) r^{4} + \dots)$
$Δ y (x, y; z_{i}) = y (1 + K_{1} (z_{i}) r^{2} + K_{2} (z_{i}) r^{4} + \dots)$
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_j(z_i-1) und K_j(z_i) interpoliert werden.
Aus diesem Grund betrachtet man eine verallgemeinerte Darstellung. Für eine beliebige Basis F_j : R² → R² gelte $(\begin{matrix} Δ x (x, y; z_{i}) \\ Δ y (x, y, z_{i}) \end{matrix}) = \sum_{j = 0}^{n} K_{j} (z_{i}) F_{j} (x, y)$
Bilden F_j 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.
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.
Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass sich das Messobjekt auch tatsächlich im Telezentriebereich des Objektivs befindet.
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.
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.
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 Beleuchtungs-Strahlengang 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung,
2 zeigt eine vergrößerte schematische Ansicht der Bildaufnahme in der Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform,
3 Abbildungsfehler, insbesondere Verzeichnungskarten für verschiedene Höhenkoordinaten;
4 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des eines Verfahrens; und
5 ein detailliertes Flussdiagramm einer Kalibration in dem Verfahren nach 4.

In 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.
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.
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.
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.
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.
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 Eigenschaften 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.
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Bereichs der Bildaufnahme in der Vorrichtung nach 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 Telezentriebereich 46 die Korrekturmatrix aufgrund der vorher durchgeführten Kalibration Korrekturinformationen aufweist.
Die 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.
Die 4 zeigt eine Ausführungsform des Verfahrens 100.
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 5 beschrieben. Auch laterale Bildverschiebungen aufgrund der Bewegungen des Bildsensors 20 können berücksichtigt werden.
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.
In einem Schritt 108 erfolgt dann ein Anordnen des Messobjekts auf der Auflagefläche.
Danach folgt ein Schritt 110 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 112 während des Bewegens des Bildsensors im Schritt 110 das Erfassen einer Mehrzahl von Bildern des Messobjekts zur Bildung des Bildstapels.
In einem Schritt 114 können dann aus diesem Bildstapel diejenigen Bilder ausgewählt werden, die die zu messenden Merkmale anhand einer Gütefunktion, beispielsweise einem lokalen Schärfekriterium, am besten abbilden.
Nach einem Schritt 116 werden dann diese ausgewählten Bilder anhand der Korrekturmatrix korrigiert. Grundsätzlich kann alternativ auch vorgesehen sein, alle Bilder des Bildstapels zu korrigieren.
In einem Schritt 118 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.
In der 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.

Claims

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 (110) des Bildsensors 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; • Erfassen (112) 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.
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.
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.
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.
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 Telezentriebereich (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.
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 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturmatrix als ein mit der Höhenkoordinate (70) 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 (70) des jeweiligen erfassten Bildes bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 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 Telezentriebereichs (46) des Objektivs (22) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) des Weiteren eine Durchlicht-Beleuchtungseinrichtung (26) aufweist, insbesondere wobei die Durchlicht-Beleuchtungseinrichtung einen kollimierten Beleuchtungs-Strahlengang bereitstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 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.
Profilprojektor zum Bestimmen 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, 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) in einem bildseitigen Telezentriebereich (44) des Objektivs (22) derart bewegbar ist, 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, wobei die Vorrichtung (10) des Weiteren eine Antriebseinrichtung (52) zum Bewegen des Bildsensors (20) aufweist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) des Weiteren eine Datenverarbeitungseinrichtung aufweist, die zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17 auf der Vorrichtung (10) eingerichtet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 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 objektsseitigen Fokalebene (50) des Objektivs (22) repräsentiert.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 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.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 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.
Vorrichtung (10) zum Bestimmen 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), der das Objektiv (22) entlang der optischen Achse (42) durchläuft, in einem bildseitigen Telezentriebereich (44) des Objektivs (22) derart bewegbar ist, 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, wobei die Vorrichtung (10) des Weiteren eine Antriebseinrichtung (52) zum Bewegen des Bildsensors (20) aufweist.