DE102004047928A1

DE102004047928A1 - Optisches 3D-Messverfahren

Info

Publication number: DE102004047928A1
Application number: DE200410047928
Authority: DE
Inventors: Norbert Dipl.-Ing. Steffens; Michael Alex Dr.-Ing. Zapp
Original assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Current assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-10-02
Also published as: DE102004047928B4

Abstract

Zur 3-D-Vermessung von Objektoberflächen dient ein optisches Verfahren, das mit einer Kamera arbeitet. Diese weist eine Fokusebene auf, die einen sehr geringen Tiefenschärfebereich festlegt. Durch Verfahren der Z-Position der Fokusebene und wiederholte Bildaufnahme wird ein Bildstapel, bestehend aus Einzelbildern, erzeugt. Die Einzelbilder weisen jeweils nur dort scharfe, d. h. kontrastreiche Partien auf, in denen die Objektoberfläche die Fokusebene schneidet. Jedem Einzelbild ist ein Z-Wert zugeordnet. Die scharf abgebildeten Bereiche der einzelnen Bilder werden zu einem Ergebnisbild Br zusammengefasst, dessen Pixeln jeweils die X-Koordinate, die Y-Koordinate und die Z-Koordinate zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren zur 3D-Vermessung räumlicher Objektoberflächen.

Optische Sensoren, insbesondere 2D-Sensoren, eignen sich zur zweidimensionalen Objektvermessung. Sie erzeugen ein zweidimensionales Bild, in dem durch Kantenfinderroutinen Objektkanten identifizierbar sind. Die Pixelpositionen der Kanten sind den X-, Y-Positionen der Kantenpunkte direkt zuzuordnen.

Häufig wird zusätzlich die Z-Koordinate einzelner Punkte der Objektoberfläche oder der gesamten Objektoberfläche gesucht. Dazu ist es beispielsweise aus der EP 0 330 901 bekannt, in den Strahlengang einer Kamera einen Laserstrahl einzuspiegeln, der auf einen Oberflächenpunkt fokussiert wird. Das von dem Laserstrahlauftreffpunkt rück gestreute Licht wird wiederum von dem Objektiv erfasst und ausgewertet. Das Verfahren ist ein Verfahren der konfokalen Mikroskopie. Durch Z-Verstellung des Objektivs wird die Objektoberfläche in den Brennpunkt des Laserstrahls verfahren. Wird der Brennpunkt erreicht wird dies durch eine entsprechende Auswerteeinrichtung signalisiert, die daraus den Z-Wert des Messpunkts bestimmt.

Die Bestimmung des Z-Werts kann hier nur für einen auf der optischen Achse liegenden Messpunkt durchgeführt werden.

Aus der DE 199 54 684 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen von Oberflächen eines Messobjekts bekannt, wobei ebenfalls nach dem Prinzip der konfokalen Mikroskopie gearbeitet wird. Der Sensorkopf unterliegt dabei einer in Z-Richtung orientierten schwingenden Bewegung, wobei seine Position zugleich mittels mechanischer Messmittel überwacht wird.

Des Weiteren ist aus der DE 102 54 435 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Kantenerkennung mit Z-Höhenjustierung bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein so genannter Bildstapel, d.h. eine Reihe von in unterschiedlichen Abständen zu der Objektoberfläche aufgenommenen Bildern erzeugt. Zur Durchführung von Kantenfin derroutinen werden zunächst Randpunkte ausgesucht, wobei dann aus dem Bildstapel diejenigen Bilder ausgewählt werden, bei denen die Randpunkte die maximalen Kontrastwerte im Vergleich zu anderen Bildern des Stapels aufweisen. Für die folgende Randdetektion wird entweder die Halterung des Messkopfs oder des Prüfobjekts zu der Z-Position physikalisch bewegt bis der maximale Kontrast erhalten wird, um ein neues Bild für die nachfolgende Randdetektion zu erhalten oder es wird einfach dasjenige Bild aus dem Bildstapel gewählt, das der zu berechnenden Z-Position am nächsten liegt.

Des Weiteren ist aus der Praxis ein Verfahren bekannt, bei dem Einzelbilder des Bildstapels zu einem Ergebnisbild mit virtueller Tiefenschärfe verknüpft werden. Dies ist erforderlich, wenn die Bildaufnahmeeinrichtung keine nennenswerte oder keine ausreichende Tiefenschärfe ausreicht. Hierzu werden in jedem Bild je Pixel der Kontrast bestimmt. Es werden die Kontrastwerte der korrespondierenden Pixel Bild für Bild verglichen und jeweils der Grauwert des korrespondierenden Pixels mit dem höchsten Kontrastwert in das Ergebnisbild eingetragen. Somit werden die scharf abgebildeten Bereiche der einzelnen Bilder in das Ergebnisbild übernommen. Das Ergebnisbild gleicht somit der Abbildung eines Objektivs mit einer Tiefenschärfe über den gesamten Bereich der optischen Achse des Bildstapels. Wird ein telezentrisches Objektiv verwendet, erhält man eine 2D-Projektion des kompletten Bildstapels.

Die oben beschriebenen Verfahren liefern nur eine beschränkte Tiefeninformation je Pixel. Diese ist für das gesamte komplette Bild konstant. Bei dem letztgenannten Verfahren wird Tiefeninformation gezielt unterdrückt.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur dreidimensionalen berührungslosen optischen Vermessung von Objektoberflächen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst:
Dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß werden mittels eines optischen Bildsensors, der flächenhafte Bilder liefert, ein Bildstapel aufgenommen. Die Einzelbilder des Bildstapels sind in Z-Richtung voneinander beabstandet. Der Abstandswert ist vorzugsweise etwa so groß wie die Tiefenschärfe des Bildsensors bzw. seines Objektivs. Um eine große Z-Auflösung zu erhalten, ist die Tiefenschärfe vorzugsweise sehr gering. Sie kann praktischerweise im Bereich von einigen Mikrometern liegen. Soll beispielsweise eine Tiefenauflösung von 3 μm erreicht werden, darf bei Abständen der Objektoberfläche von der Fokusebene von größer 3 μm keine Scharfabbildung mehr erfolgen. Zumindest aber muss der erfassbare Bildkontrast bei der hier beispielhaft gewählten 3-μm-Auflösung bei einem 3-μm-Abstand zwischen Fokusfläche und Objektpunkt messbar zurückgegangen sein.

Die Bilder des Bildstapels enthalten die gesamte Information über die 3D-Koordinaten der gesamten vermessenen Objektoberfläche. Die Auflösung wird in Lateralrichtung (X und Y) nur durch die Auflösung des Bildsensors bestimmt. In Z-Richtung wird die Auflösung nur durch die Anzahl der aufgenommenen Bilder und die Tiefenschärfe des Objektivs begrenzt. Sie ist umso höher je geringer die Tiefenschärfe ist.

Zur Durchführung des Verfahrens werden aus den einzelnen Bildern des Bildstapels jeweils diejenigen Pixel herausgesucht, die scharf abgebildet sind. Dies sind in jedem Bild nur diejenigen Pixel bei denen eine abgebildete Kante oder Fläche im Rahmen der durch die Tiefenschärfe vorgegebenen Ungenauigkeit in der Fokusebene liegt. Alle anderen Bereiche der Objektoberfläche sind unscharf und weisen somit keinen nennenswerten lokalen Kontrast auf. Somit kann durch die Auswertung der Schärfeinformation der einzelnen Bilder des Bildstapels die gesuchte Tiefeninformation gewonnen werden. Mit einem einzigen Messdurchlauf wird die zu vermessende Objektoberfläche somit präzise vermessen.

Zur Bestimmung der Z-Information ist ein Anfahren bestimmter Fokuspositionen überflüssig. Das aus dem Bildstapel erzeugte Ergebnisbild enthält alle Informationen, d.h. die X-, Y- und Z-Koordinaten aller Bildpunkte.

In dem Ergebnisbild können die Kantenverläufe der abgebildeten Kanten ohne Nachfokussierung bestimmt werden. Wie schon die vorgenannte Eigenschaft ergibt dies einen erheblichen Zeitvorteil gegenüber Verfahren, bei denen Fokuspositionen gezielt angefahren werden müssen oder bei denen Kantenverläufe durch Nachfokussierung zu bestimmen sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet Fehlmessungen durch unscharfe Kanten. Dies erhöht die Messsicherheit.

Ein weiterer Vorteil ist die übersichtliche Ergebnisdarstellung. Sowohl die lateralen Koordinaten X und Y als auch die Tiefenkoordinate Z ist in einem einzigen Ergebnis bild enthalten. Die Lateralkoordinaten und die Tiefenkoordinate werden in einem Messvorgang bestimmt. Dies führt zu geringen Messfehlern. Die Extraktion der X-, Y- und Z-Koordinaten aus dem Bildstapel ermöglicht darüber hinaus die Digitalisierung von Oberflächen bei gleichzeitiger Messung von Abmessungen. Das Verfahren ist präzise, schnell und sicher. Es ist wenig von den Reflexionseigenschaften der Objektoberfläche abhängig. Es kann mit gezielter Beleuchtung oder Umgebungslicht gearbeitet werden. An die Beleuchtung werden, abgesehen von der Vermeidung von Überstrahlungen (Überbelichtungen) und nicht ausreichenden Ausleuchtungen, kaum besondere Ansprüche gestellt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Fokusfläche eine Fokusebene. Jedes Bild des Bildstapels enthält die Kantenpartien, bei denen Oberflächenkanten oder Flächenbereiche die Fokusebene schneiden oder in dieser liegen, scharfe abgebildete Bildbereiche. Die Bestimmung der X-, Y- und Z-Koordinaten ist bei der ebenen Ausbildung der Fokusfläche besonders einfach. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, mit nicht ebenen Fokusflächen zu arbeiten. Hierzu muss lediglich bekannt sein, welcher Z-Abstand eines jeden Rasterpunkts eines gedachten, die Fokusfläche überziehenden Rasters zu einer scharfen Abbildung führt. Der Vorzug dieser Ausführungsform liegt in der Möglichkeit der Verwendung vereinfachter oder verbilligter Objektive, bzw. in einer Erhöhung der Messgenauigkeit.

Der von dem Bildsensor abgegebene Bildstapel kann beispielsweise mittels eines Framegrabbers in einem Speicher abgelegt und zur Nachbearbeitung bereit gehalten werden. Zu der Nachbearbeitung gehört beispielsweise die Erzeugung eines Ergebnisbilds, in das nur die jeweils scharf abge bildeten Bereiche der einzelnen Bilder des Bildstapels eingetragen werden, wobei dann jedem Pixel nicht nur die X- und Y- sondern auch die Z-Koordinate zugeordnet ist. Die Z-Koordinate eines scharf abgebildeten Pixels ist diejenige des Bildes, dem das Pixel entnommen worden ist. Sodann kann das erzeugte Ergebnisbild abgespeichert und weiterhin bereit gehalten werden. Es ist jedoch auch möglich, auf eine Abspeicherung des Bilderstapels zu verzichten und das Ergebnisbild gewissermaßen in Echtzeit zu erzeugen. Zu diesem Zweck werden die Einzelbilder, die von dem Bildsensor geliefert werden, auf scharfe Bereiche überprüft, wobei nur die scharfen Bereiche in das Ergebnisbild übernommen werden. Liefert das nachfolgende Bild für einen bereits abgespeicherten Bereich noch schärfere Pixel werden die noch schärferen Pixel übernommen. Auf diese Weise entsteht bei einem einzigen Z-Scan-Durchlauf das Ergebnisbild, das die X-, Y- und Z-Koordinaten vollständig enthält. Das Verfahren beruht auf einfachen, schnell durchführbaren Vergleichs- und Rechenoperationen und benötigt somit so wenig Zeit, dass es in Echtzeit durchgeführt werden kann. Darüber hinaus benötigt es wenig Speicherplatz.

Das Scannen des Objekts durch Verlagerung der Fokusebene in Bezug auf die Objektoberfläche kann prinzipiell durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden. Eine einfache und übersichtliche Ausführungsform ergibt sich durch Bewegung des Bildsensors bzw. einer Kamera und der Objektoberfläche relativ zueinander. Eine mechanisch schnellere Lösung kann sich ergeben, wenn das Objektiv beeinflusst wird. Beispielsweise kann der optische Sensor in Bezug auf das Objektiv oder das Objektiv in Bezug auf den optischen Sensor bewegt werden. Beides kann zu einer Z-Verschiebung der Fokusebene genutzt werden. Alternativ kann ein Zoomsystem mit variabler Fokusebene eingesetzt werden. Bevorzugt wird dabei eine Anordnung, bei der die Öffnung des Objektivs so variiert wird, dass bei Verlagerung der Fokusebene ein gegebener Flächenbereich in der Fokusebene stets gleich groß auf dem Bildsensor abgebildet wird. Damit wird die Bildverarbeitung besonders einfach. Ein ausgewähltes Pixel P(i, j) einer ersten Fokusebene F_Z1 entspricht dann dem gleichen Pixel P(i, j) in einer anderen Fokusebene F_Zn (z. B. F_Z4). Ändert sich der Abbildungsmaßstab hingegen ist das verfahren gleichermaßen durchführbar. Jedoch muss darauf Rücksicht genommen werden, dass dann ein Pixel P(i, j) in einer ersten Fokusebene F_Z1 einem anderen Pixel P(k, l) einer anderen Fokusebene F_Zn entspricht.

Die Aufnahme des Bilderstapels kann im einfachsten Falle bei ruhender Fokusebene vorgenommen werden. Dabei wird zur Aufnahme des jeweiligen Einzelbilds die Relativbewegung der Fokusebene in Bezug auf die Objektoberfläche jeweils gestoppt. Es ist jedoch auch möglich, bei bewegter Fokusebene zu arbeiten. Dies ist z.B. dann möglich, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit der Fokusebene in Bezug auf die Bildaufnahmegeschwindigkeit des Bildsensors gering ist. Nimmt der Bildsensor das Bild zeilenweise auf und ist die Bewegungsgeschwindigkeit relativ groß muss die Fokusebene in Bezug auf die Objektoberfläche und die optische Achse als geneigt angesehen werden. Die Neigung der optischen Achse wird durch die Z-Verlagerung der Fokusebene während der Aufnahmezeit des Einzelbilds bestimmt. Diese Schräglage oder Neigung der Fokusebene kann bei der Z-Auswertung des Bilderstapels berücksichtigt werden, indem nicht allen Pixeln des Einzelbildes die gleichen Z-Werte sondern die ihrer Verlagerung entsprechenden, individuellen Z-Werte zugeordnet werden. Bis auf eine geringfügige Erhöhung des Speicherplatzbedarfs entstehen dadurch keine Nachteile. Jedoch kann eine erhebliche Steigerung der Aufnahmegeschwindigkeit erreicht werden.

Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung sowie Ansprüchen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einer einfachen geometrischen Objektoberfläche und einer Kamera in symbolischer Veranschaulichung,
2 einen Bilderstapel, gewonnen mit der Anordnung nach 1,
3 bis 5 Einzelbilder des Bilderstapels in schematischer Veranschaulichung,
6 einen Ausschnitt aus einem Einzelbild des Bilderstapels mit Veranschaulichung seiner Pixel,
7 ein Ergebnisbild mit virtueller Tiefenschärfe,
8 eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung,
9 eine weitere alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung und
10 die Interpolation von Pixelgrauwerten anhand eines Diagramms.
In 1 ist die Vermessung einer Objektoberfläche 1 mittels einer Kamera 2 veranschaulicht, die einen optischen Bildsensor z.B. in Form eines flächenhaften CCD-Sensors 3 aufweist. Alternativ kann ein C-MOS-Sensor eingesetzt werden. Zu der Kamera 2 gehört außerdem ein Objektiv 4, das dazu dient, dem CCD-Sensor 3 eine scharfe Abbildung zu erzeugen. Die Tiefenschärfe des Objektivs 4 ist allerdings gering, vorzugsweise sehr gering. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Tiefenschärfenbereich lediglich einen oder wenige Mikrometer, so dass eine Scharfabbildung der Objektoberfläche 1 nur innerhalb einer Fokusebene F_Z erfolgt. Genau genommen handelt es sich um ein Fokusvolumen, das jedoch in Z-Richtung, d.h. in Richtung der optischen Achse 5 keine nennenswerte Ausdehnung aufweist.
Die Objektoberfläche 1 ist eine räumliche Oberfläche, die die Fokusebene F_Z schneidet. Im vorliegenden Beispiel ist zur Veranschaulichung als Objektoberfläche 1 eine Pyramidenfläche angenommen worden, wobei die Spitze der Pyramide auf der optischen Achse 5 liegt. Sie kann jedoch beliebig anders positioniert werden und es können auch nahezu beliebige andere Objektoberflächen vermessen werden.
Die Kamera 2 ist an eine Verarbeitungseinrichtung 6, beispielsweise in Form eines herkömmlichen PC, angeschlossen, der vorzugsweise einen Massenspeicher 7, beispielsweise in Form einer Festplatte enthält. Außerdem weist er die üblichen sonstigen Komponenten, wie Bildschirm, Eingabe, Schnittstelle, Verarbeitungseinrichtung usw. auf. Die Verarbeitungseinrichtung 6 ist über eine Wirkverbindung 8 mit der Kamera 2 verbunden, um deren Bilder aufzunehmen. Sie ist außerdem mit einer Verstelleinrichtung 9 verbunden, um diese zu steuern. Die Verstelleinrichtung 9 positioniert die Kamera 2 entlang der in Z-Richtung orientierten optischen Achse 5 in verschiedene Aufnahmepositionen Z1 bis Zn. Zur Veranschaulichung ist in 1 n= 7 angenommen worden. Praktischerweise wird die Anzahl der verschiedenen Aufnahmepositionen jedoch wesentlich höher sein. Die Verstelleinrichtung 9 kann bedarfsweise auch autark, d.h. unabhängig von der Verarbeitungseinrichtung 6 arbeiten und die Bildaufnahme durch Signalgabe auslösen.
Zur Vermessung der Objektoberfläche 1 wird die Kamera 2 mittels der Verstelleinrichtung 9 zunächst in eine erste Aufnahmeposition Z1 gefahren, in der die zugeordnete Fokusebene F_Z1 an einem Ende des zu erfassenden Z-Bereichs der Objektoberfläche 1 steht. In dieser Position wird ein erstes Bild B(1) aufgenommen. Das Bild B(1) ist der Z-Position Z1 der Fokusebene F_Z zugeordnet. Nach Aufnahme dieses Bilds wird die Kamera 2 in die Z-Position Z2 verschoben. Somit verlagert sich die Fokusebene in die Position F_Z2. In dieser wird das Bild B(2) aufgenommen. Dieser Vorgang wird dann so lange fortgesetzt bis die Kamera 2 die Position Z7 ( 1) erreicht. Die Fokusebene F_Z ist dann in der Position Z7. Es wird das Bild B(7) aufgenommen. Somit wird der in 2 schematisch veranschaulichte Bilderstapel 11 erzeugt. Jedem dieser Bilder ist eine Z-Position Z1 bis Z7 zugeordnet. Der Bilderstapel 11 wird mit den zu den Einzelbilder B(1) bis B(7) zugeordneten Z-Positionen in dem Massenspeicher 7 abgelegt.
In den Bildern B(1) bis B(7) sind jeweils nur diejenigen Bildpartien scharf abgebildet, in denen die Objektoberfläche 1 die betreffende Fokusebene F_Z schneidet. Dies ist in den 3 bis 5 veranschaulicht. Die 3 stellt den Schnitt der Objektoberfläche 1 mit der Fokusebene F_Z für die Position Z1 dar. Es sind lediglich kurze Abschnitte 12, 13, 14, 15 der vier Kanten der die Objektoberfläche 1 ausmachenden Pyramide scharf abgebildet. Die übrigen Kantenbereiche verschwimmen, d.h. sind unscharf. Zur Herausfilterung der scharf abgebildeten und somit in der Fokusebene liegenden Bildbereiche insbesondere der Kantenbereiche wird nun eine Kontrastbestimmungsroutine durchgeführt. Diese untersucht die einzelnen Pixel des Bildes 1 auf Kontrast. Dabei wird jedem Pixel P(x, y) (siehe 6) ein Kontrastwert K(x, y) zugeordnet, der sich aus den Helligkeitswerten der Nachbarpixel berechnet.
Dieser Vorgang wird auch für das Bild B(2) durchgeführt, bei dem die entsprechende Fokusebene F_Z die Pyramide etwas näher zu ihrer Spitze hin versetzt schneidet. Entsprechend sind Kantenbereiche 16, 17, 18, 19 scharf abgebildet, die näher an der Spitze der Pyramide liegen. Die scharf abgebildeten Bereiche werden wiederum über die Kontrastbestimmungsroutine ausfindig gemacht. Dieser Vorgang wiederholt sich nun für alle Bilder bis zum letzten Bild, hier B(7). Dieses ist in 5 veranschaulicht. Zufällig trifft die Fokusebene F_Z in der Position Z7 die Spitze der Pyramide. Es ist somit der zentrische, die Spitze enthaltende Bildbereich 21 scharf abgebildet.
Die scharf abgebildeten Bild- bzw. Kantenbereiche 12 bis 21 der Bilder B(1) bis B(7) werden nun zu einem aus 7 ersichtlichen Ergebnisbild zusammengesetzt. Dieses Ergebnisbild enthält sowohl die X-, Y- als auch die Z-Positionen aller als scharf erkannten Pixel. Die Z-Positionen sind dabei von den Einzelbildern B(1) bis B(7) übernommen, denen die jeweils schärfsten Bereiche entnommen wurden.
Die Vorgehensweise zur Erzeugung des Ergebnisbilds kann wie folgt zusammengefasst werden:

– zunächst wird ein Bildstapel 11 mit n Bildern B(z) während der Bewegung des optischen Systems in Richtung der optischen Achse 5 aufgenommen. Jedem Bild B(i) wird die Aufnahmeposition Z auf der optischen Achse 5 zugeordnet.
– Jedem Pixel P(x, y) wird nun ein Kontrastwert K(x, y) zugeordnet, der sich aus den Nachbarpixeln berechnet.
– Es werden die Kontrastwerte K(x₀, y₀) korrespondierenden Pixel P(x₀, y₀) in allen Bildern B(z) verglichen. Es ergibt sich ein maximaler Kontrastwert K_max(x₀, y₀) in dem Bild B(z_max) für jedes Pixel P(x₀, y₀)
– In dem nun dreidimensionalen Ergebnisbild Br wird neben dem Grauwert des Pixels P(x₀, y₀) aus dem Bild B(z_max), dessen Kontrastwert am größten ist, auch die Bildaufnahmeposition z_max mit übernommen. So erhält jedes Pixel eine dreidimensionale Koordinate P(x₀, y₀, z).

Es ist möglich, auf die Zwischenspeicherung der Bilder B(1) bis B(7) bzw. B(n) zu verzichten, wenn die Kontrastwerte während der Bildaufnahme erzeugt und das Pixel mit dem jeweiligen Kontrastmaximum in das Ergebnisbild Br eingetragen wird.
In 8 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Messanordnung veranschaulicht. Sie beruht auf einer Bewegung der Fokusebene F_Z (F_Z1 bis F_Zn) bei ruhender Kamera 2 und zugleich ruhender Objektoberfläche 1. Es wird ein variables Objektiv 4 verwendet, das die Fokusebene entlang der optischen Achse 5 verlagern kann. Zugleich ist das Objektiv 4 als Zoomobjektiv ausgebildet, wobei bei variablem Bildöffnungswinkel der erfasste Flächenbereich der Fokusebene konstant ist.
Diese Anordnung gestattet die Anwendung des obigen Verfahrens ohne sonstige Abwandlung.
Es ist auch möglich, den Öffnungswinkel unabhängig von der Lage der Fokusebene zu ändern. In diesem Fall arbeitet das Objektiv 4 mit veränderlichem Abbildungsmaßstab. Die Veränderung des Abbildungsmaßstabes kann in dem Verfahren zur Erzeugung des Ergebnisbilds Br berücksichtigt werden. Unter Abbildungsmaßstab wird hier das Längenverhältnis zwischen einer in der Fokusebene F_Z gemessenen Länge und einem entsprechenden Pixelabstand auf dem CCD-Sensor verstanden. Die Kompensation wechselnder Abbildungsmaßstäbe kann durch entsprechende Vergrößerung oder Verkleinerung der Bilder des Bilderstapels erreicht werden.
Des Weiteren ist es möglich, mit nicht ebenen Fokusflächen F_Z zu arbeiten, wie 9 veranschaulicht. In diesem Fall ist jedem einzelnen Bild nicht nur ein einziger Z-Wert zugeordnet, sondern es ist jedem seiner Pixel die zugehörige Z-Position seiner Fokusebene zugeordnet. Diese ergibt sich aus der Z-Position der Fokusebene an der optischen Achse 5 zuzüglich oder abzüglich eines pixelspezifischen Werts, der von der Krümmung der Fokusebene abhängt.
Im Übrigen kann das im Zusammenhang mit der 1 bis 7 beschriebene Verfahren Anwendung finden.
Eine Optimierung des Verfahrens stellt eine Interpolation oder Approximation des Kontrastverlaufs K(x₀, y₀, z) sowie des Grauwertverlaufs G (x₀, y₀, z) dar. So ist es möglich, das Maximum des Kontrasts bzw. dem zugehörigen Grauwert auch zwischen den einzelnen Bildern B(z) zu bestimmen und somit die Genauigkeit zu erhöhen.
10 stellt dies in einem Diagramm dar. Eine erste Kurve I kennzeichnet den Kontrast für ein herausgegriffenes Pixel P(x₀, y₀) in den Bildern B des Bilderstapels B(z). Die Kurve I interpoliert die einzelnen Kontrastwerte K(x, y).
Die Kurve weist ein Maximum an einer Stelle auf, die durch eine vertikale strichpunktierte Stelle gekennzeichnet ist. Das Maximum kann zwischen zwei Bildern liegen. Ein zweite Kurve II kennzeichnet die Grauwerte der Bilder. Die Kurve II wird durch Interpolation der einzelnen Grauwerte der betreffenden Bilder gewonnen. Als gültiger Grauwert kann der Grauwert der gleichen Stelle Z herausgegriffen werden, bei dem die Kurve I ihr Maximum hat. Der Z-Wert kann, wie gesagt, zwischen zwei Bildern liegen. In das Ergebnisbild wird dann der Pixel mit dem Grauwert G an der Stelle Z zugeordnet, die zwischen zwei Bildern liegt. Außerdem wird dem betreffenden Pixel der entsprechende Z-Wert zugeordnet, bei dem die Kurve I ihr Maximum hat.
Zur 3D-Vermessung von Objektoberflächen 1 dient ein optisches Verfahren, das mit einer Kamera arbeitet. Diese weist eine Fokusebene F_Z auf, die einen sehr geringen Tiefenschärfebereich festlegt. Durch Verfahren der Z-Position der Fokusebene F_Z und wiederholte Bildaufnahme wird ein Bildstapel 11 bestehend aus Einzelbildern B(z) erzeugt. Die Einzelbilder weisen jeweils nur dort scharfe, d.h. kontrastreiche Partien auf, in denen die Objektoberfläche 1 die Fokusebene F2 schneidet. Jedem Einzelbild B(z) ist ein Z-Wert zugeordnet. Die scharf abgebildeten Bereiche der einzelnen Bilder B(z) werden zu einem Ergebnisbild Br zusammengefasst, dessen Pixeln jeweils die X-Koordinate, die Y-Koordinate und die Z-Koordinate zugeordnet ist.

Claims

Verfahren zum dreidimensionalen berührungslosen optischen Vermessen von Objektoberflächen (1) mittels eines optischen Bildsensors (3) für in zwei Richtungen x und y ausgedehnte und somit zweidimensionale Bilder, der in einem in einer dritten Richtung z gemessenen Abstand eine Fokusfläche (F_Z) festlegt und eine geringe Tiefenschärfe aufweist, wobei bei dem Verfahren ein eine Serie von Bildern (B(z)) umfassender Bildstapel (11) erzeugt wird, dessen Bilder (B(z)) in unterschiedlichen z-Positionen der Fokusfläche (F_Z) in Bezug auf die Objektoberfläche (1) aufgenommen worden sind, und wobei bei dem Verfahren die aufgenommenen Bilder (B(z)) des Bildstapels (11) sowohl zur Bestimmung der x- und y-Koordinaten als auch der z-Koordinate jedes Pixels (P(x, y)) herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefenschärfe geringer ist als die geforderte z-Auflösung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokusfläche (F_Z) eine Ebene ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder (B(z)) des Bildstapels (11) in einem Speichermedium (7) abgespeichert werden, wobei jedem Bild (B(z)) des Bildstapels (11) die z-Position der Fokusfläche (F_Z) in Bezug auf die Objektoberfläche (1) zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den aufgenommenen Bildern (B(z)) scharf abgebildete Bereiche (12 – 21) identifiziert werden und dass den scharf abgebildeten Bereichen die z-Koordinate des zugehörigen Bildes (B(z)) zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auffindung scharf abgebildeter Bereiche (12 – 21) in jedem Bild B(z)) pixelweise ein Kontrastwert K(x, y) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des Kontrastwertes K(x, y) die Helligkeitswerte der Nachbarpixel miteinander verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für alle sich in den Bildern (B(z)) entsprechenden Pixel das Pixel mit dem maximalen Kontrastwert K_max(x, y) herausgesucht und zur Bestimmung der x-, y- und z-Koordinate herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den verschiedenen Bildern (B(z)) die einander entsprechenden, zu den verschiedenen Bildern (B(z)) gehörigen Pixel identifiziert und aus diesen Pixeln jeweils dasjenige mit dem maximalen Kontrastwert K_max(x, y) herausgesucht und zur Erstellung eines Ergebnisbildes herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme der Bilder (B(z))) des Bilderstapels (11) der Bildsensor (3) und die Objektoberfläche (1) gegeneinander verschoben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme der Bilder (B(z)) des Bilderstapels (11) ein zu dem Bildsensor (3) gehöriges optisches Abbildungssystem (4) beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbildungssystem (4) ein Zoomobjektiv ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme der Bilder (B(z)) des Bilderstapels (11) der Abstand des Bildsensors von dem zu ihm gehörigen optischen Abbildungssystem (4) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme des Bilderstapels (11) bei bewegter Fokusebene (F_Z) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme des Bilderstapels (11) bei ruhender Fokusebene (F_Z) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektoberfläche (1) mit diffusem Licht beleuchtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektoberfläche (1) zur Kontrasterhöhung mit strukturiertem Licht beleuchtet wird.
Messeinrichtung mit einem Bildsensor (3) und einer Verarbeitungseinrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Kontrastwerten K einander entsprechender Pixel (P(x₀, y₀)) der Bilder (B(z)) eine Kontrastverlaufsfunktion K(x₀, y₀, z) gebildet wird und dass aus den Grauwerten einander entsprechender Pixel der entsprechende Grauwertverlauf G(x₀, y₀, z) bestimmt wird und dass derjenige Grauwert in das Ergebnisbild übertragen wird, bei dem die Kontrastverlaufsfunktion ein Maximum hat.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrastverlaufsfunktion K(x₀, y₀, z) und der Grauwertverlauf G(x₀, y₀, z) als kontinuierliche Funktionen gewonnen werden, wobei auch Funktionswerte in das Ergebnisbild übernommen werden, deren Z-Werte zwischen den Bildern (B(z)) liegen.
Koordinatenmessmaschine mit einer Kamera (2) mit geringer Tiefenschärfe zur Aufnahme eines Bilderstapels (B(z)) durch Bewegung ihrer Fokusebene (F_Z) relativ zu einer Objektoberfläche und mit einer Verarbeitungseinrichtung (6), die in den Bildern (B) des Bilderstapels (B(z)) scharfe Bereiche (12 – 21) identifiziert und diesen den Z-Wert des Bildes dem sie entstammen, zuordnet.
Koordinatenmessmaschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (2) interferenzoptisch arbeitet.
Koordinatenmessmaschine nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (2) Teil eines Weißlichtinterferometers ist.