DE102007003060A1

DE102007003060A1 - Verfahren zur Bestimmung der Güte eines Messpunktes bei der Kantendetektion in der optischen Längenmesstechnik

Info

Publication number: DE102007003060A1
Application number: DE102007003060A
Authority: DE
Inventors: Susanne Dipl.-Wirtsch.-Ing. Töpfer; Karina Dipl.-Wirtsch.-Ing. Weißensee; Gerhard Prof. Dr. Ing. habil. Linß; Uwe Dr. Ing. Nehse
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2008-07-17
Also published as: WO2008087104A1; EP2115695A1

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Verfahren zur Bestimmung der Güte eines Messpunktes bei der Kantendetektion für die optische Längenmesstechnik bereitgestellt werden, so dass für die Berechnung von Geometrieelementen nicht nur die Messpunkte, sondern auch deren jeweilige Güte verwendet werden und somit die Geometrieelemente mit einer geringeren Unsicherheit berechnet werden können. Erfindungsgemäß wird neben der Kantendetektion auch der Signalverlauf im Strukturübergangsbereich, bezugnehmend auf einen idealen Signalverlauf nach den fünf verschiedenen Kriterien (Qualitätskennzahlen), bewertet. Das vorliegende Verfahren kann an allen Koordinatenmessgeräten angewendet werden, bei denen mindestens ein Bildsensor als Teil der Messsensorik vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Güte eines Messpunktes bei der Kantendetektion in der optischen Längenmesstechnik.
In der optischen Längenmesstechnik werden häufig Koordinatenmessgeräte eingesetzt. Unter einem Koordinatenmessgerät soll in Anlehnung an WO 02/084215 ein Gerät mit mehreren Antrieben, deren jeweilige Position mit Hilfe von Maßstäben bestimmt werden kann, verstanden werden, wobei die Messsensorik relativ zum Werkstück in den 3 Koordinaten x, y und z bewegt werden kann. Die Messsensorik kann dabei aus einem Sensor oder aus mehreren unterschiedlichen Sensoren (Multisensorik) bestehen. Das vorliegende Verfahren kann an allen Koordinatenmessgeräten angewendet werden, bei denen mindestens ein Bildsensor als Teil der Messsensorik vorhanden ist. Außerdem kann das vorliegende Verfahren an allen Messgeräten eingesetzt werden, die über mindestens einen Bildsensor verfügen, jedoch über keine Bewegungsachsen (Bildsensor als stand-alone Lösung), beispielsweise in der Automatisierungstechnik.
Beim Lösen einer Messaufgabe mit einem optischen Koordinatenmessgerät muss der Bediener vor Beginn der Messung ein Kantenortkriterium auswählen. Das Kantenortkriterium ist eine mathematische Berechnungsvorschrift, die aus einem Intensitätsübergang im Bild den zugehörigen Kantenort bestimmt. Je nach Ausprägung des Intensitätsübergangs im Bild sind unterschiedliche Kantenortkriterien für die Messpunktgenerierung geeignet.
Bei der Kantendetektion in der optischen Längenmesstechnik werden jedoch auch Messpunkte generiert, die z. B. in Bildbereichen mit einem geringen Kontrast aufgenommen wurden, und daher eine höhere Antastunsicherheit besitzen. Messpunkte, die bei sehr gutem Kontrast aufgenommen wurden, besitzen eine geringe Antastunsicherheit. Bisher wird die Güte eines Messpunktes nicht erfasst. Somit fließen alle Punkte bei der nachfolgenden Berechnung der Geometrieelemente als gleichwertig ein.
Aus der WO 2005/050133 ist ein Verfahren zum Berechnen von Geometrieelementen und Verknüpfungen zwischen diesen mittels mit einem Koordinatenmessgerät gemessener Messpunkte bekannt. Hierbei werden jedoch Messpunkte mit einer hohen Unsicherheit mit derselben Priorität bei der Geometrieelementeberechnung berücksichtigt wie Messpunkte mit einer niedrigen Unsicherheit. Folglich wird nicht die gesamte durch den Bildsensor zur Verfügung stehende Information für die Lösung der Messaufgabe genutzt. Das berechnete Geometrieelement kann je nach Berechnungsverfahren Lage- und Formfehler besitzen, die bei Berücksichtigung der unterschiedlichen Güte der Messpunkte nicht oder nur in reduziertem Umfang auftreten. Im Stand der Technik sind bisher keine Verfahren bekannt, bei denen die Güte der Messpunkte bei der Kantendetektion in der optischen Längenmesstechnik bestimmt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Bestimmung der Güte eines Messpunktes bei der Kantendetektion für die optische Längenmesstechnik bereitzustellen, so das für die Berechnung von Geometrieelementen nicht nur die Messpunkte sondern auch deren jeweilige Güte verwendet werden kann und somit die Geometrieelemente mit einer geringeren Unsicherheit berechnet werden können.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 – Bewertung der Güte eines Messpunktes, der an einem typischen Intensitätsverlaufs entlang eines Suchstrahls, aufgenommen an einer Kante mittels Auflichtbeleuchtung, gemessen wurde
Der Begriff „Güte eines Messpunktes" beinhaltet die Bewertung der Eignung des Intensitätsverlaufes an einer Kante für die präzise Kantenortbestimmung. Eine Kante beinhaltet eine Änderung der mittleren Intensität im Bild. Der Begriff „Güte" bezieht sich dabei auf die Realisierung minimaler stochastischer Messabweichungen. Systematische Messabweichungen werden nicht betrachtet, da diese definitionsgemäß durch geeignete Korrektur- oder Kalibrierverfahren erfasst und korrigiert werden.
Die Analyse des Intensitätsverlaufs an einer Kante im Bild dient als Basis für die Bestimmung der Güte des Messpunktes. Die Bewertung der Güte des Messpunktes mit Hilfe verschiedener Qualitätskennzahlen ist in 1 dargestellt. Der Kantenort wird hierbei suchstrahlbasiert bestimmt. Daher ist in allen angegebenen Formeln und Gleichungen (Tabelle 2) die Intensität I der Pixel stets nur von einer Ortskoordinate, nämlich der Suchstrahlkoordinate x_S abhängig. Der Kantenort kann jedoch auch nicht suchstrahlbasiert bestimmt werden. Die Art der Kantenortbestimmung im Sinne von suchstrahlbasiert oder nicht suchstrahlbasiert ist für die Anwendbarkeit des vorliegenden Verfahrens unerheblich.
In Anlehnung an die I++/DME Spezifikation liegt der Wertebereich von Qualitätskennzahlen zwischen 0 und 100. Je höher die Qualitätskennzahl ist, desto schlechter ist die vorhandene Qualität. Folglich ist die Güte eines Messpunktes exzellent, wenn ihre Qualitätskennzahl Q_K gleich Null ist.
Die Qualitätskennzahl Q_K für die Güte eines Messpunktes kann sich aus beliebig vielen einzelnen Qualitätskennzahlen zusammensetzen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens werden fünf einzelne Kriterien (Qualitätskennzahlen) für die Bewertung der Güte eines Messpunktes angewendet. Die Formeln für die Berechnung der einzelnen Qualitätskennzahlen sind in Tabelle 2 aufgeführt. Dieses Qualitätskennzahlensystem enthält keine Redundanzen, das heißt, ein und dasselbe Merkmal des Intensitätsverlaufes wird nicht zweimal bewertet.
Die Qualitätskennzahl Q_R dient der Bewertung des Rauschens des Intensitätsverlaufs s_I. Hierbei werden lediglich die Gebiete rechts und links des Intensitätsübergangs der Kante im Bild ausgewertet. Eine mögliche Erweiterung dieser Qualitätskennzahl besteht darin, das Rauschen nicht auf die Quantisierungsstufen Q_n des Bildsensors sondern auf den Kontrast K entlang des Suchstrahls zu beziehen. Das ermöglicht eine viel schärfere Bewertung des Intensitätsverlaufes. Weiterhin entspricht diese Erweiterung einer Bewertung des Signal-Rausch-Abstandes anstelle der reinen Bewertung des Rauschens wie in Tabelle 2 angegeben.
Die Qualitätskennzahl für den Kantenanstieg Q_A wird im einfachsten Fall aus den zwei Messpunkten über und unter dem mittleren Niveau I_E bestimmt. Je größer der Anstieg ist, desto genauer lässt sich der Kantenort berechnen.
Die Qualitätskennzahl für die Form Q_F des Intensitätsübergangs liefert eine Aussage über die Abweichung von einem Sprungsignal. Sie ist zu Q_A nicht redundant. Beispielsweise kann die Qualitätskennzahl Q_A exzellent sein, die Qualitätskennzahl Q_F jedoch vergleichsweise schlecht. Das trifft zu, wenn der Intensitätsübergang zwar im mittleren Intensitätsbereich sehr steil verläuft aber im oberen oder unteren Intensitätsbereich extrem flach verläuft; beispielsweise bei Messungen an höhenausgedehnten Messobjekten. Je nach angewendetem Kantenortkriterium kann das zu einer Verschiebung des detektierten Kantenorts führen.
Die Qualitätskennzahl Kantenbreite Q_B bewertet die Breite des Intensitätsübergangs. Im Vergleich zu Q_B und Q_A liefert nur Q_F die Möglichkeit gestörte Intensitätsübergänge zu identifizieren. Diese können beispielsweise bei Auflichtbeleuchtung auftreten und sind häufig durch unerwünschte direkte Reflexionen an der Oberfläche des Messobjektes charakterisiert.
Die Qualitätskennzahl Q_E dient für die Bewertung der Eindeutigkeit. Diese Qualitätskennzahl dient der Detektion starker Störungen des Intensitätsverlaufs. Bei Messungen im Auflicht überlagert sich das Reflexionsmuster von der Oberfläche des Messobjektes mit den Beugungseffekten an der Kante. Im Ergebnis können Intensitätsverläufe auftreten, die das mittlere Niveau I_E mehr als einmal schneiden. Die präzise Kantenortbestimmung an einem derartigen Signalverlauf ist sehr schwierig. Eine mögliche Erweiterung der Kennzahl Q_E ist die Berücksichtigung der Entfernung zwischen dem wahrscheinlichem Kantenort im Intervall [x_S1..x_S2] und dem Ort des zweiten oder dritten Durchgangs.
Allgemein gilt, dass die Gesamtqualitätskennzahl für die Güte eines Messpunktes für Intensitätsverläufe, die im Auflicht aufgenommen wurden, im Mittel wesentlich schlechter als für im Durchlicht aufgenommene Intensitätsverläufe ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird demnach neben der Kantendetektion auch der Signalverlauf im Strukturübergangsbereich bezugnehmend auf einen idealen Signalverlauf nach den fünf oben erläuterten verschiedenen Kriterien (Qualitätskennzahlen) bewertet.
Der ideale Signalverlauf entspricht einem Sprungeingang, der durch das beugungsbegrenzte optische Abbildungssystem auf den Bildsensor abgebildet und dort in Abhängigkeit von der Bittiefe des Bildsensors detektiert wird. Je mehr der tatsächliche Signalverlauf dem des idealen Signalverlaufs ähnelt, desto geringer ist die Antastunsicherheit des Messpunktes bzw. desto höher ist seine Güte.
Aus den fünf Einzelbewertungen wird die Gesamtgüte des Messpunktes durch gewichtete Addition gebildet. Die 5 Einzelkriterien sind z. B. Rauschen, Kantenbreite, Kantenanstieg, Kanteneindeutigkeit sowie Kantenform. Je nach Wunsch des Anwenders kann die Wichtung der Einzelkriterien zueinander variiert werden bzw. können auch Kriterien unberücksichtigt bleiben. Das kann zum Beispiel bei Implementierungen, die nicht auf einem PC laufen, aus rechentechnischen Gründen sinnvoll sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf, da mit ihm bisher ungenutzte, aber immer vorliegende Informationen für die Lösung einer Messaufgabe genutzt werden. Die Parameter eines Messpunktes in der I++ DME Spezifikation beinhalten unter anderem auch den Parameter Q für die Güte des Messpunktes. Dieser Parameter kann bei optischen Messungen mit Bildsensoren mit Hilfe des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Wert gefüllt werden (jeder Messpunkt ist mit einer Angabe zu seiner Güte versehen), so dass bei der Berechnung der Geometrieelemente eine höhere Genauigkeit erreicht werden kann. Die Erkennung und Eliminierung von Ausreißern für die hochpräzise Geometriemessung wird stark vereinfacht und der rechentechnische Aufwand der Ausreißerfilter wird verringert.
Tabelle 2 – Teil 1
Tabelle 2 – Teil 2

x_S: Suchstrahlkoordinate
I(x_S): Intensität des Suchstrahls
x_pa: Bildpunktmittenabstand im Suchstrahl
n: Anzahl der Pixel im Suchstrahl
Q_n: Anzahl der Quantisierungsstufen des Bildsensors
s_I: Standardabweichung der Intensitätswerte
s_I,Int: s_I der Intensitätswerte im Interval Int
I_int: mittlere Intensität im Interval Int
δ(x_S): Dirac Impuls
b_k: gemessene Kantenbreite
b_k,ideal: ideale Kantenbreite
I_A: gemessener maximaler Kantenanstieg
t: Kantenzahl
Γ: Schwellwertfunktion
I_E: Schwellwert
Ψ_KM: Kreuzkorrelation zw. Kantensignal und M
M: Referenzmuster
Δ: Verschiebung zwischen M und I(x_S)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 02/084215 [0002]
- WO 2005/050133 [0005]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Güte eines Messpunktes bei der Kantendetektion in der optischen Längenmesstechnik dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit der Bestimmung des jeweiligen Messpunktes (Kantendetektion) die vorherrschenden Messbedingungen durch den ermittelten Signalverlauf am Strukturübergang (Kante) mit verschiedenen Einzelkriterien bewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Güte eines Messpunktes aus der gewichteten Addition mehrerer Einzelkriterien ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Güte des Messpunktes anhand eines einzelnen oder einer beliebigen Kombination mehrerer Einzelkriterien, wie z. B. Rauschen, Kantenbreite, Kantenanstieg, Kanteneindeutigkeit und Kantenform bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass für die Bildaufnahme eine Grauwertkamera verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass für die Bildaufnahme eine Farbbildkamera verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Messung suchstrahlbasiert erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Messung nicht suchstrahlbasiert erfolgt.
Präzisionsmessgerät, insbesondere Koordinatenmessgerät zur maßlichen Erfassung von Werkstücken anhand eines Bildsensors dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Ausführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 vorhanden sind.
Präzisionsmessgerät, insbesondere Koordinatenmessgerät zur maßlichen Erfassung von Werkstücken, mit mehreren Sensoren (Multisensorik), wovon mindestens einer ein Bildsensor ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Ausführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 vorhanden sind.
Messgerät ohne Bewegungsachsen (stand-alone Bildsensor), zur maßlichen Erfassung von Werkstücken, mit einem oder mehreren Sensoren (Multisensorik), wovon mindestens einer ein Bildsensor ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Ausführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 vorhanden sind.
Messgerät mit einer oder zwei Bewegungsachsen, zur maßlichen Erfassung von Werkstücken, mit einem oder mehreren Sensoren (Multisensorik), wovon mindestens einer ein Bildsensor ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Ausführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 vorhanden sind.