DE102022109577B4 - Method and measuring camera for two-dimensional measurement of objects - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur zweidimensionalen Vermessung einer geneigten Oberfläche (78) eines Gegenstands (26) mit einer Messkamera (40), die ein Objektiv (42) mit einer optischen Achse (62), ein in einer Pupillenebene (48) des Objektivs (42) angeordnetes und variabel einstellbares Pupillenfilter (50) und einen Bildsensor (56) aufweist, umfassend die folgenden Schritte:a) Ermitteln der Orientierung der geneigten Oberfläche (78) relativ zu der optischen Achse (62) des Objektivs (42);b) Vorgeben einer Betrachtungsrichtung, aus der die Messkamera (40) die geneigte Oberfläche (78) betrachten soll;c) Festlegen einer Hauptstrahlrichtung (80) auf der Grundlage der in Schritt a) ermittelten Orientierung und der in Schritt b) vorgegebenen Betrachtungsrichtung;d) Festlegen eines von dem Pupillenfilter (50) in der Pupillenebene (48) freigegebenen Teilbereichs (82) derart, dass Hauptstrahlen (84), die von der geneigten Oberfläche (78) ausgehen und auf die Mitte des Teilbereichs (82) auftreffen, parallel zur Hauptstrahlrichtung (80) verlaufen, wobei der Teilbereich (82) bezüglich der optischen Achse (62) dezentriert angeordnet ist;e) Einstellen des Pupillenfilters (50) derart, dass der in Schritt d) festgelegte Teilbereich (82) freigegeben wird; undf) Aufnehmen eines Bildes der geneigten Oberfläche (78) mit dem Bildsensor (56) unter Verwendung des in Schritt e) eingestellten Pupillenfilters (50).Method for two-dimensional measurement of an inclined surface (78) of an object (26) with a measuring camera (40) which has a lens (42) with an optical axis (62), a variably adjustable pupil filter (50) arranged in a pupil plane (48) of the lens (42), and an image sensor (56), comprising the following steps: a) determining the orientation of the inclined surface (78) relative to the optical axis (62) of the lens (42); b) specifying a viewing direction from which the measuring camera (40) is to view the inclined surface (78); c) specifying a main ray direction (80) on the basis of the orientation determined in step a) and the viewing direction specified in step b); d) specifying a partial area (82) released by the pupil filter (50) in the pupil plane (48) in such a way that main rays (84) which emanate from the inclined surface (78) and impinge on the center of the partial region (82), run parallel to the main beam direction (80), wherein the partial region (82) is arranged decentered with respect to the optical axis (62);e) adjusting the pupil filter (50) such that the partial region (82) defined in step d) is exposed; andf) recording an image of the inclined surface (78) with the image sensor (56) using the pupil filter (50) adjusted in step e).
Description
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messkamera zur zweidimensionalen Vermessung von Werkstücken und anderen Gegenständen. Derartige Messkameras werden als berührungslose Sensoren in der Koordinatenmesstechnik eingesetzt und können beispielsweise an einem Koordinatenmessgerät befestigt werden oder fest an einem Koordinatenmessgerät verbaut sein.The invention relates to a method and a measuring camera for two-dimensional measurement of workpieces and other objects. Such measuring cameras are used as contactless sensors in coordinate measuring technology and can, for example, be attached to a coordinate measuring machine or be permanently installed on a coordinate measuring machine.
2. Beschreibung des Standes der Technik2. Description of the state of the art
Zur Messung der Geometrie von Werkstücken und anderen Gegenständen werden im Stand der Technik Koordinatenmessgeräte eingesetzt. Solche Messungen finden beispielsweise im Rahmen der Qualitätssicherung oder eines Reverse Engineerings statt. Die teilweise komplexen Messaufgaben werden in aller Regel auf die Messung der räumlichen Koordinaten einer Anzahl von Einzelpunkten reduziert.Coordinate measuring machines are currently used to measure the geometry of workpieces and other objects. Such measurements are carried out, for example, as part of quality assurance or reverse engineering. The sometimes complex measuring tasks are usually reduced to measuring the spatial coordinates of a number of individual points.
Die Koordinatenmessgeräte enthalten einen Sensor, dessen Position relativ zu dem zu vermessenden Werkstück mit Hilfe von Antrieben veränderbar ist. Vor allem bei kleineren Koordinatenmessgeräten befindet sich das Werkstück auf einem Kreuztisch, der entlang zweier horizontaler Koordinatenachsen x, y mit hoher Genauigkeit verfahren werden kann. Der Sensor ist in der Regel an einer Pinole befestigt, die mit ähnlich hoher Genauigkeit vertikal (d.h. in z-Richtung) verfahren werden kann. Wenn besonders große oder schwere Werkstücke vermessen werden sollen, kommen in Portalbauweise ausgeführte Koordinatenmessgeräte zum Einsatz, bei denen das Werkstück ruht und ausschließlich der Sensor verfahren wird.The coordinate measuring machines contain a sensor whose position relative to the workpiece to be measured can be changed using drives. Especially with smaller coordinate measuring machines, the workpiece is located on a cross table that can be moved along two horizontal coordinate axes x, y with high precision. The sensor is usually attached to a spindle that can be moved vertically (i.e. in the z direction) with a similarly high level of precision. If particularly large or heavy workpieces are to be measured, coordinate measuring machines with a gantry design are used, in which the workpiece is stationary and only the sensor is moved.
Bei den Sensoren für Koordinatenmessgeräte unterscheidet man zwischen optischen und taktilen Sensoren. Während bei taktilen Sensoren die Information über die Lage eines Messpunkts durch Berühren des Messpunkts mit einem Antastelement erzeugt wird, wird bei optischen Sensoren die Information über die Lage des Messpunkts durch Licht erfasst. Häufig lassen sich mit den optischen Sensoren die Koordinaten des Werkstücks nur in der Schärfeebene der Sensoren und damit in zwei Dimensionen messen. Wenn sukzessive in mehreren Schärfeebenen gemessen wird, deren Abstand zueinander mit hoher Genauigkeit bekannt ist, kann die Geometrie des Werkstücks - abgesehen von Hinterschneidungen und ähnlichen nicht für den optischen Sensor erkennbaren Strukturen - in drei Dimensionen gemessen werden.When it comes to sensors for coordinate measuring machines, a distinction is made between optical and tactile sensors. While with tactile sensors the information about the position of a measuring point is generated by touching the measuring point with a probing element, with optical sensors the information about the position of the measuring point is recorded by light. With optical sensors, the coordinates of the workpiece can often only be measured in the focal plane of the sensors and thus in two dimensions. If measurements are taken successively in several focal planes whose distance from one another is known with a high degree of accuracy, the geometry of the workpiece can be measured in three dimensions - apart from undercuts and similar structures that are not visible to the optical sensor.
Koordinatenmessgeräte mit optischen Sensoren werden von der Anmelderin z.B. unter der Marke ZEISS O-INSPECT vertrieben und sind in der
Bei der Koordinatenmessung mit optischen Sensoren ist es im Allgemeinen erwünscht, dass die Werkstücke aus einer bestimmten Richtung von der Messkamera betrachtet werden. Bei Werkstücken mit ebenen Flächen verläuft diese Betrachtungsrichtung in der Regel senkrecht zu den jeweiligen Flächen. Die bevorzugte Betrachtungsrichtung kann jedoch auch durch die Längsachse einer Bohrung, eines Sacklochs oder einer erhabenen Struktur vorgegeben sein, deren Längsachse geneigt zu einer umgebenen Fläche verläuft.When measuring coordinates with optical sensors, it is generally desired that the workpieces are viewed from a specific direction by the measuring camera. For workpieces with flat surfaces, this viewing direction is usually perpendicular to the respective surfaces. However, the preferred viewing direction can also be determined by the longitudinal axis of a bore, a blind hole or a raised structure whose longitudinal axis is inclined to a surrounding surface.
Um die gewünschte Betrachtungsrichtung einzustellen, muss die relative räumliche Anordnung zwischen der Messkamera und dem Werkstück verändert werden. Ob dabei die Messkamera oder das Werkstück bewegt wird, hängt vor allem von den Größen- und Gewichtsverhältnissen ab. Bei kleineren Werkstücken ist es am einfachsten, wenn zum Verstellen ein Kipptisch oder ein ähnlicher verstellbarer Träger für das Werkstück verwendet wird. Bei schwereren Werkstücken wie z.B. Gussbauteilen, zu deren Vermessung meist Koordinatenmessgeräte in Portalbauweise eingesetzt werden, bewegt sich zum Ändern der Betrachtungsrichtung in der Regel nur die Messkamera, während das schwere Werkstück ortsfest bleibt. Da das Koordinatenmessgerät nur lineare Bewegungen ausführen kann, wird zur Verstellung der Messkamera häufig ein rastendes Dreh-Schwenkgelenk (RDS) eingesetzt, das die Messkamera mit der Pinole des Koordinatenmessgeräts verbindet. In order to set the desired viewing direction, the relative spatial arrangement between the measuring camera and the workpiece must be changed. Whether the measuring camera or the workpiece is moved depends primarily on the size and weight ratios. For smaller workpieces, it is easiest to use a tilting table or a similar adjustable support for the workpiece. For heavier workpieces such as cast components, for which gantry-type coordinate measuring machines are usually used, only the measuring camera usually moves to change the viewing direction, while the heavy workpiece remains stationary. Since the coordinate measuring machine can only perform linear movements, a locking rotary swivel joint (RDS) is often used to adjust the measuring camera, which connects the measuring camera to the quill of the coordinate measuring machine.
Unabhängig davon, ob das Werkstück oder die Messkamera bewegt wird, benötigt die Änderung der relativen räumlichen Anordnung zwischen beiden Teilen Zeit. Je höher die Anforderungen an die Genauigkeit sind, desto länger dauert ein einzelner Verstellvorgang, da dann die gewünschte Zielposition besonders langsam angefahren werden muss. Bei der Verwendung rastender Dreh-Schwenkgelenke ist eine hochgenaue Ausrichtung mitunter überhaupt nicht möglich.Regardless of whether the workpiece or the measuring camera is moved, changing the relative spatial arrangement between the two parts takes time. The higher the accuracy requirements, the longer a single adjustment process takes, as the desired target position must then be approached particularly slowly. When using locking rotary swivel joints, highly precise alignment is sometimes not possible at all.
Die
Die
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Messkamera zur zweidimensionalen Vermessung von Werkstücken und anderen Gegenständen anzugeben, mit dem bzw. der sich die Betrachtungsrichtung schnell und mit hoher Genauigkeit verändern lässt.The object of the invention is to provide a method and a measuring camera for the two-dimensional measurement of workpieces and other objects, with which the viewing direction can be changed quickly and with high accuracy.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur zweidimensionalen Vermessung einer geneigten Oberfläche eines Gegenstands mit einer Messkamera, die ein Objektiv mit einer optischen Achse, ein in einer Pupillenebene des Objektivs angeordnetes und variabel einstellbares Pupillenfilter und einen Bildsensor aufweist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a) Ermitteln der Orientierung der geneigten Oberfläche relativ zu der optischen Achse des Objektivs;
- b) Vorgeben einer Betrachtungsrichtung, aus der die Messkamera die geneigte Oberfläche betrachten soll;
- c) Festlegen einer Hauptstrahlrichtung auf der Grundlage der in Schritt a) ermittelten Orientierung und der in Schritt b) vorgegebenen Betrachtungsrichtung;
- d) Festlegen eines von dem Pupillenfilter in der Pupillenebene freigegebenen Teilbereichs derart, dass Hauptstrahlen, die von der geneigten Oberfläche ausgehen und auf die Mitte des Teilbereichs auftreffen, parallel zur Hauptstrahlrichtung verlaufen, wobei der Teilbereich bezüglich der optischen Achse dezentriert angeordnet ist;
- e) Einstellen des Pupillenfilters derart, dass der in Schritt d) festgelegte Teilbereich freigegeben wird; und
- f) Aufnehmen eines Bildes der geneigten Oberfläche mit dem Bildsensor unter Verwendung des in Schritt e) eingestellten Pupillenfilters.
- a) determining the orientation of the inclined surface relative to the optical axis of the objective;
- b) Specifying a viewing direction from which the measuring camera should view the inclined surface;
- c) determining a main ray direction on the basis of the orientation determined in step a) and the viewing direction specified in step b);
- d) defining a partial area released by the pupil filter in the pupil plane such that main rays emanating from the inclined surface and impinging on the centre of the partial area run parallel to the main ray direction, the partial area being arranged decentered with respect to the optical axis;
- e) adjusting the pupil filter such that the partial area defined in step d) is exposed; and
- f) capturing an image of the inclined surface with the image sensor using the pupil filter set in step e).
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass man die Richtung der Hauptstrahlen innerhalb gewisser Grenzen durch die Lage des Teilbereichs festlegen kann, der in der Pupillenebene von dem Pupillenfilter freigegeben wird. Der Teilbereich stellt dabei einen Ausschnitt aus dem Bereich dar, der maximal in der Pupillenebene ausleuchtbar ist und die numerische Apertur des Objektivs definiert. Der Durchmesser des maximal ausleuchtbaren Bereichs gibt die maximalen Winkel vor, innerhalb derer die Hauptstrahlrichtungen variiert werden können.The invention is based on the realization that the direction of the main rays can be determined within certain limits by the position of the partial area that is exposed in the pupil plane by the pupil filter. The partial area represents a section of the area that can be maximally illuminated in the pupil plane and defines the numerical aperture of the lens. The diameter of the maximum illuminable area specifies the maximum angle within which the main ray directions can be varied.
Wandert beispielsweise ein kreisförmig umrandeter freigegebener Teilbereich über die Pupillenebene, so bedeutet dies, dass Lichtbündel mit unterschiedlichen Hauptstrahlrichtungen in das Objektiv eintreten und den Bildsensor erreichen können. Da der Zusammenhang zwischen der Hauptstrahlrichtung und der Lage des Teilbereichs bekannt ist, kann für jede gewünschte Hauptstrahlrichtung in dem Schritt d) ein Teilbereich festgelegt werden, der zu der im Schritt b) vorgegebenen Betrachtungsrichtung führt.If, for example, a circularly outlined, released partial area moves across the pupil plane, this means that light beams with different main ray directions can enter the lens and reach the image sensor. Since the relationship between the main ray direction and the position of the partial area is known, a partial area can be defined for each desired main ray direction in step d), which leads to the viewing direction specified in step b).
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass geneigte Oberflächen aus in gewissen Grenzen beliebigen Betrachtungsrichtungen optisch vermessen werden können, ohne dass größere mechanische Bewegungen wie z.B. ein Kippen eines Kipptisches oder eine Drehung eines Dreh-Schwenkgelenks erforderlich sind. Stattdessen werden unterschiedliche Betrachtungsrichtungen durch Verstellen des variablen Pupillenfilters erzeugt. A significant advantage of the invention is that inclined surfaces can be optically measured from any viewing direction within certain limits without the need for major mechanical movements such as tilting a tilting table or rotating a rotary swivel joint. Instead, different viewing directions are created by adjusting the variable pupil filter.
Je nach verwendetem Pupillenfilter liegen die Verstellzeiten in der Größenordnung von wenigen Millisekunden. Mit entsprechend schnellen Bildsensoren lassen sich damit in einer Sekunde mehr als hundert Bilder mit unterschiedlichen Betrachtungsrichtungen aufnehmen. Mit den herkömmlichen Verfahren, bei denen der Gegenstand und/oder die Messkamera bewegt werden müssen, benötigt die Aufnahme eines einzelnen Bildes hingegen oft mehrere Sekunden. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich somit die Messzeit um bis zu drei Größenordnungen verkürzen.Depending on the pupil filter used, the adjustment times are in the order of a few milliseconds. With correspondingly fast image sensors, more than a hundred images with different viewing directions can be recorded in one second. With conventional methods, in which the object and/or the measuring camera have to be moved, the recording of a single image often takes several seconds. Using the method according to the invention, the measuring time can be shortened by up to three orders of magnitude.
Die Erfindung schließt allerdings nicht aus, dass zusätzlich in der herkömmlichen Weise die relative Anordnung zwischen der Messkamera und dem Gegenstand verändert wird. Bei sehr großen Änderungen der Betrachtungsrichtung kann z.B. eine Grobausrichtung wie bisher durch mechanische Bewegungen erfolgen, wohingegen die Feinausrichtung von dem Pupillenfilter bewirkt wird. Auch dann lässt sich eine erhebliche Verkürzung der Messzeit erreichen, da bei den herkömmlichen mechanischen Bewegungen vor allem die Feinausrichtung mit den dafür erforderlichen niedrigen Verfahrgeschwindigkeiten besonders viel Messzeit beansprucht.However, the invention does not exclude the possibility of additionally changing the relative arrangement between the measuring camera and the object in the conventional manner. In the case of very large changes in the viewing direction, for example, a rough alignment can be carried out as before by mechanical movements, whereas the fine alignment is effected by the pupil filter. Even then, a significant reduction in the measuring time can be achieved, since with conventional mechanical movements, it is mainly the fine alignment with the low travel speeds required for this that takes up a particularly long measuring time.
Die Betrachtungsrichtung im Schritt b) wird relativ zu der geneigten Oberfläche festgelegt. In den meisten Fällen verläuft die gewünschte Betrachtungsrichtung senkrecht zu der geneigten Oberfläche. Die Betrachtungsrechnung fällt dann mit der in Schritt c) festgelegten Hauptstrahlrichtung zusammen. Von 90° verschiedene Betrachtungswinkel kommen vor allem dann in Betracht, wenn die geneigte Oberfläche Bohrungen oder Vorsprünge enthält, die sich nicht senkrecht zu der geneigten Oberfläche erstrecken.The viewing direction in step b) is determined relative to the inclined surface. In most cases, the desired viewing direction is perpendicular to the inclined surface. The viewing calculation then coincides with the main ray direction determined in step c). Viewing angles other than 90° are particularly considered if the inclined surface has holes or projections. that do not extend perpendicular to the inclined surface.
Die betrachtete Oberfläche muss nicht plan sein, sondern kann auch eine Krümmung in eine oder zwei Richtungen aufweisen. Für den von der Messkamera betrachteten Bildausschnitt lässt sich im Allgemeinen eine Ausgleichsebene definieren, bei der die (gegebenenfalls quadratischen) Abweichungen von der Ebene minimal sind. Die Betrachtungsrichtung wird dann relativ zu dieser Ausgleichsebene festgelegt.The surface being observed does not have to be flat, but can also have a curvature in one or two directions. In general, a compensation plane can be defined for the image section observed by the measuring camera, in which the (possibly quadratic) deviations from the plane are minimal. The viewing direction is then set relative to this compensation plane.
Bei einem Ausführungsbeispiel hat der im Schritt d) festgelegte Teilbereich eine Kontur, die zumindest im Wesentlichen kreisförmig ist oder eine mehrzellige Rotationssymmetrie hat. Die Nutzung entsprechend symmetrischer Stahlenbündel führt in der Regel zu besseren Abbildungseigenschaften und dadurch zu genaueren Messergebnissen.In one embodiment, the partial area defined in step d) has a contour that is at least substantially circular or has a multi-cell rotational symmetry. The use of correspondingly symmetrical beam bundles generally leads to better imaging properties and thus to more precise measurement results.
Häufig sollen Gegenstände vermessen werden, die mehrere unterschiedlich orientierte Oberflächen haben. In diesem Fall sind die Schritte a) bis f) mit unterschiedlich eingestelltem Pupillenfilter zu wiederholen. Da die Verstellung des Pupillenfilters wenig Zeit erfordert, lassen sich auf diese Weise auch komplexe Gegenstände in sehr kurzer Zeit vermessen.Often, objects that have several differently oriented surfaces need to be measured. In this case, steps a) to f) must be repeated with a different pupil filter setting. Since adjusting the pupil filter takes little time, even complex objects can be measured in a very short time.
Das Objektiv kann objektseitig telezentrisch sein. Der Vorteil solcher Objektive, Strukturen in unterschiedlichen Objektabständen zwar mit geringerer Schärfe, aber im gleichen Abbildungsmaßstab abbilden zu können, bleibt dann für Strukturen erhalten, die unterschiedliche Abstände entlang der eingestellten Betrachtungsrichtung haben.The lens can be telecentric on the object side. The advantage of such lenses, namely being able to image structures at different object distances with less sharpness but at the same image scale, is then retained for structures that have different distances along the set viewing direction.
Um das Pupillenfilter korrekt einstellen zu können, muss die Orientierung der zu vermessenden geneigten Oberfläche relativ zu der optischen Achse des Objektivs bekannt sein. In manchen Fällen genügt es, wenn diese Kenntnis aus den häufig bekannten Geometriedaten des zu vermessenden Gegenstands abgeleitet wird. Für höhere Messgenauigkeiten oder wenn keine Geometriedaten vorliegen, muss die Orientierung der geneigten Oberfläche gemessen werden. Hierzu können zusätzliche optische Sensoren verwendet werden, mit denen sich die Neigung von Oberflächen messen lässt. Einfacher ist in der Regel die Verwendung von Autofokus-Verfahren, da diese keine zusätzlichen Sensoren benötigen.In order to be able to set the pupil filter correctly, the orientation of the inclined surface to be measured relative to the optical axis of the lens must be known. In some cases, it is sufficient to derive this knowledge from the often known geometry data of the object to be measured. For higher measurement accuracy or if no geometry data is available, the orientation of the inclined surface must be measured. Additional optical sensors can be used for this purpose, which can be used to measure the inclination of surfaces. It is generally easier to use autofocus methods, as these do not require any additional sensors.
Hinsichtlich der Messkamera wird die eingangs genannte Aufgabe durch eine Messkamera zur zweidimensionalen Vermessung einer geneigten Oberfläche eines Gegenstands gelöst, die ein Objektiv, das eine optische Achse und eine Pupillenebene hat, ein in der Pupillenebene angeordnetes variables Pupillenfilter und eine Ansteuereinheit aufweist. Erfindungsgemäß ist die Ansteuereinheit dazu eingerichtet, die folgenden Schritte auszuführen oder zu veranlassen:
- a) Ermitteln der Orientierung der geneigten Oberfläche relativ zu der optischen Achse des Objektivs;
- b) Vorgeben einer Betrachtungsrichtung, aus der die Messkamera die geneigte Oberfläche betrachten soll;
- c) Festlegen einer Hauptstrahlrichtung auf der Grundlage der in Schritt a) ermittelten Orientierung und der in Schritt b) vorgegebenen Betrachtungsrichtung;
- d) Festlegen eines von dem Pupillenfilter in der Pupillenebene freigegebenen Teilbereichs derart, dass Hauptstrahlen, die von der geneigten Oberfläche ausgehen und auf die Mitte des Teilbereichs auftreffen, parallel zur Hauptstrahlrichtung verlaufen, wobei der Teilbereich bezüglich der optischen Achse dezentriert angeordnet ist;
- e) Einstellen des Pupillenfilters derart, dass der in Schritt d) festgelegte Teilbereich freigegeben wird; und
- f) Aufnehmen eines Bildes der geneigten Oberfläche mit dem Bildsensor unter Verwendung des in Schritt e) eingestellten Pupillenfilters.
- a) determining the orientation of the inclined surface relative to the optical axis of the objective;
- b) Specifying a viewing direction from which the measuring camera should view the inclined surface;
- c) determining a main ray direction on the basis of the orientation determined in step a) and the viewing direction specified in step b);
- d) defining a partial area released by the pupil filter in the pupil plane such that main rays emanating from the inclined surface and impinging on the centre of the partial area run parallel to the main ray direction, the partial area being arranged decentered with respect to the optical axis;
- e) adjusting the pupil filter so that the partial area defined in step d) is exposed; and
- f) capturing an image of the inclined surface with the image sensor using the pupil filter set in step e).
Das variable Pupillenfilter kann beispielsweise als LCD-Panel ausgebildet sein. LCD-Panels benötigen nur wenig Bauraum und haben eine Schaltgeschwindigkeit, die meist unter 5 µs liegt. Da LCD-Panels das auftreffende Licht polarisieren, kann es bei sehr speziellen Messaufgaben zu Einschränkungen kommen. Außerdem entstehen durch ein LCD-Panel Intensitätsverluste, die auf dem Bildsensor zu einem geringeren Signal-Rausch-Verhältnis und damit zu ungenaueren Messergebnissen führen können.The variable pupil filter can be designed as an LCD panel, for example. LCD panels require very little installation space and have a switching speed that is usually less than 5 µs. Since LCD panels polarize the incident light, there may be limitations for very specific measuring tasks. In addition, an LCD panel causes intensity losses, which can lead to a lower signal-to-noise ratio on the image sensor and thus to less accurate measurement results.
Diese Nachteile lassen sich vermeiden, wenn als Pupillenfilter ein Mikrospiegel-Array verwendet wird, das in der Pupillenebene angeordnet ist und eine Vielzahl von Mikrospiegeln hat, die jeweils in eine erste und in eine zweite stabile Kippstellung überführbar sind. Ein Mikrospiegel, der sich in der ersten Kippstellung befindet, reflektiert Licht, das von dem Gegenstand reflektiert wurde, so, dass es auf den Bildsensor gelangen kann. Ein Mikrospiegel, der sich in der zweiten Kippstellung befindet, reflektiert Licht, das von dem Gegenstand reflektiert wurde, so, dass es nicht auf den Bildsensor gelangen kann.These disadvantages can be avoided if a micromirror array is used as the pupil filter, which is arranged in the pupil plane and has a plurality of micromirrors, each of which can be moved into a first and a second stable tilt position. A micromirror in the first tilt position reflects light that has been reflected by the object so that it can reach the image sensor. A micromirror in the second tilt position reflects light that has been reflected by the object so that it cannot reach the image sensor.
Mikrospiegel-Arrays, deren Mikrospiegel zwei stabile Kippstellungen haben, sind im Stand der Technik an sich bekannt und werden häufig als DMD-Spiegel bezeichnet, wobei DMD für Digital Micromirror Device steht. Die Verwendung eines Mikrospiegel-Arrays als variables Pupillenfilter ist im Stand der Technik für sich gesehen bekannt. Die Verwendung eines solchen dynamischen Pupillenfilters in einer Messkamera wurde erstmals in der noch unveröffentlichten und am 15.07.2021 eingereichten Anmeldung
Um einen kompakten Aufbau zu ermöglichen, ist es häufig zweckmäßig, wenn die Messkamera einen im Lichtweg zwischen dem Mikrospiegel-Array und dem Bildsensor angeordneten Umlenkspiegel hat. Dieser ist vorzugsweise plan, kann aber im Prinzip auch abbildende Funktion haben. Mit Blick auf eine günstige Strahlfaltung ohne Abschattungseffekte kann es zweckmäßig sein, wenn die Mikrospiegel in einer Montageebene angeordnet sind, die geneigt zu einer Sensorebene verläuft, in der sich der Bildsensor erstreckt.In order to enable a compact design, it is often useful if the measuring camera has a deflection mirror arranged in the light path between the micromirror array and the image sensor. This is preferably flat, but in principle can also have an imaging function. With a view to favorable beam folding without shadowing effects, it can be useful if the micromirrors are arranged in a mounting plane that runs at an angle to a sensor plane in which the image sensor extends.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Messkamera ein Beleuchtungssystem zum Beleuchten des Gegenstands auf. Eine optische Achse des Beleuchtungssystems ist so angeordnet, dass ein Mikrospiegel, der sich in der zweiten Kippstellung befindet, das vom Beleuchtungssystem erzeugte Messlicht auf den Gegenstand richtet. Das Mikrospiegel-Array dient somit nicht nur der Pupillenfilterung des vom Gegenstand reflektierten Lichts, sondern auch dazu, die Beleuchtungswinkelverteilung des auf den Gegenstand auftreffenden Lichts in gewissen Grenzen variabel einzustellen. Die üblicherweise verwendeten Strahlteiler, die bei einer Beleuchtung des Objekts unter Verwendung der Messkamera eingesetzt werden und hohe Intensitätsverluste verursachen, lassen sich auf diese Weise vermeiden.In one embodiment, the measuring camera has an illumination system for illuminating the object. An optical axis of the illumination system is arranged such that a micromirror, which is in the second tilt position, directs the measurement light generated by the illumination system onto the object. The micromirror array thus serves not only to filter the pupil of the light reflected from the object, but also to variably adjust the illumination angle distribution of the light striking the object within certain limits. The beam splitters that are usually used when illuminating the object using the measuring camera and cause high intensity losses can be avoided in this way.
Vorzugsweise weist das Beleuchtungssystem eine Lichtquelle und eine Beleuchtungsoptik auf, welche die Lichtquelle auf das Mikrospiegel-Array abbildet. Wenn die Lichtquelle eine Punktlichtquelle ist, wird in der Pupillenebene dann jedoch nur ein kleiner Bereich ausgeleuchtet, was zu einer stark gerichteten Beleuchtung führt. Bevorzugt ist es deswegen, wenn die Lichtquelle ein Flächenstrahler mit Lambertscher Abstrahlcharakteristik ist, damit der zu vermessende Gegenstand gleichmäßig aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet werden kann.The lighting system preferably has a light source and an illumination optics that projects the light source onto the micromirror array. If the light source is a point light source, only a small area in the pupil plane is illuminated, which leads to highly directional illumination. It is therefore preferred if the light source is a surface emitter with Lambertian radiation characteristics so that the object to be measured can be illuminated evenly from different directions.
Da das Mikrospiegel-Array sowohl im Strahlengang des zur Beleuchtung verwendeten Lichts als auch im Strahlengang des vom Gegenstand reflektierten Lichts liegt, sind die Beleuchtungswinkelverteilung für das Beleuchtungslicht und die Pupillenfunktion für das reflektierte Licht nicht unabhängig voneinander einstellbar. Wenn beispielsweise der Gegenstand mit achsparallelem Licht beleuchtet werden soll, was eine Ausleuchtung der Pupillenmitte erfordert, so müssen die dort angeordneten Mikrospiegel sich in der zweiten Kippstellung befinden. Es ist dann nicht möglich, das vom Gegenstand reflektierte Licht so in der Pupillenebene zu filtern, dass nur achsparalleles Licht auf den Bildsensor fällt. Bei vielen Messaufgaben genügt es jedoch, wenn nur eine der beiden Eigenschaften Beleuchtungswinkelverteilung und Pupillenfunktion einstellbar sein müssen.Since the micromirror array is located both in the beam path of the light used for illumination and in the beam path of the light reflected from the object, the illumination angle distribution for the illumination light and the pupil function for the reflected light cannot be adjusted independently of one another. If, for example, the object is to be illuminated with axially parallel light, which requires illumination of the center of the pupil, the micromirrors arranged there must be in the second tilt position. It is then not possible to filter the light reflected from the object in the pupil plane so that only axially parallel light falls on the image sensor. For many measuring tasks, however, it is sufficient if only one of the two properties illumination angle distribution and pupil function needs to be adjustable.
Mit dem erfindungsgemäßen Mikrospiegel-Array in der Pupillenebene lässt sich in Schritt a) auch die räumliche Orientierung der Oberfläche leicht messen. Die oben erwähnte Kopplung von Beleuchtungswinkelverteilung und Pupillenfunktion kann hierbei vorteilhaft ausgenutzt werden. Die Ansteuereinheit ist dann dazu eingerichtet,
- das Mikrospiegel-Array zur Messung der Neigung einer Oberfläche des Gegenstands so zu steuern, dass während der Aufnahme mehrerer Bilder des Gegenstands die Pupillenebene in unterschiedlichen Bereichen abgeblendet wird, und
- aus einem Vergleich der Helligkeit der aufgenommenen Bilder ein Maß für die Neigung der Oberfläche zu berechnen.
- to control the micromirror array for measuring the inclination of a surface of the object in such a way that the pupil plane is dimmed in different areas during the acquisition of several images of the object, and
- to calculate a measure of the inclination of the surface by comparing the brightness of the recorded images.
Diese Verwendung der erfindungsgemäßen Messkamera basiert auf der Überlegung, dass man mit dem variablen Pupillenfilter und dem Beleuchtungssystem auf einfache Weise die Richtung des zur Beleuchtung verwendeten Lichts festlegen kann. Fällt das Licht senkrecht auf die geneigte Oberfläche, ist die Intensität des Lichts auf dem Bildsensor minimal. Mit dem Mikrospiegel-Array lassen sich die unterschiedlichen Lichtrichtungen innerhalb kürzester Zeit durchstimmen, so dass die Neigung der Oberfläche praktisch instantan bestimmt werden kann. Vorteilhaft ist dieses Vorgehen vor allem bei spekular reflektierenden Oberflächen, bei denen man mit Hilfe des Autofokusverfahrens mangels erkennbarer Strukturen nicht fokussieren kann.This use of the measuring camera according to the invention is based on the idea that the direction of the light used for illumination can be easily determined using the variable pupil filter and the lighting system. If the light falls perpendicularly onto the inclined surface, the intensity of the light on the image sensor is minimal. The micromirror array allows the different light directions to be tuned within a very short time, so that the inclination of the surface can be determined practically instantly. This procedure is particularly advantageous for specularly reflecting surfaces, where it is not possible to focus using the autofocus method due to a lack of recognizable structures.
Im Prinzip kann bei der Messung des Neigungswinkels das Mikrospiegel-Array so angesteuert werden, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt das Licht nur aus einer einzigen Richtung auf die Oberfläche des Gegenstands fällt. In diesem Fall befinden sich zu einem gegebenen Zeitpunkt nur die Mikrospiegel in einem annähernd punktförmigen Bereich in ihrer zweiten Kippstellung. Der punktförmige Bereich muss dann während des Messvorgangs über die gesamte Pupillenebene wandern.In principle, when measuring the angle of inclination, the micromirror array can be controlled so that at a given time the light only falls on the surface of the object from a single direction. In this case, at a given time only the micromirrors in an approximately point-shaped area are in their second tilt position. The point-shaped area must then move over the entire pupil plane during the measurement process.
Schneller und trotzdem nicht weniger genau lässt sich die Neigung der Oberfläche messen, wenn die abgeblendeten Bereiche so ausgewählt sind, dass bei der Aufnahme eines Bildes für jeden Objektpunkt betrachtet das Licht nur aus Richtungen aus der Messkamera austritt, die in einer Ebene liegen. Die den Bildern zugeordneten Ebenen sind dabei unterschiedlich und schneiden sich in einer ersten Geraden. Breitet sich Licht in einer Ebene aus, die senkrecht zu der geneigten Oberfläche angeordnet ist, kann es nach Reflexion an der Oberfläche nur auf Mikrospiegel treffen, die sich in der zweiten Kippstellung befinden und dadurch eine Weiterleitung an den Bildsensor verhindern.The inclination of the surface can be measured more quickly and no less accurately if the dimmed areas are selected in such a way that when taking an image for each object point, the light only comes from directions outside the measuring camera, which lie in one plane. The planes assigned to the images are different and intersect in a first straight line. If light spreads in a plane that is arranged perpendicular to the inclined surface, after reflection on the surface it can only hit micromirrors that are in the second tilt position and thus prevent it from being passed on to the image sensor.
Eine solche Messung lässt sich durchführen, indem bei der Aufnahme eines Bildes nur ein streifenförmiger Bereich in der Pupillenebene nicht abgeblendet ist, wobei die den Bildern zugeordneten Bereiche parallel zueinander angeordnet sind. Jeder streifenförmige Bereich entspricht dann einer der besagten Ebenen. Durch paralleles Versetzen der Bereiche von Bild zu Bild werden die Ebenen nacheinander ausgewählt.Such a measurement can be carried out by taking an image with only a strip-shaped area in the pupil plane not stopped down, with the areas assigned to the images arranged parallel to each other. Each strip-shaped area then corresponds to one of the said planes. The planes are selected one after the other by moving the areas parallel from image to image.
Wenn die Neigung der Oberfläche in zwei Raumrichtungen bestimmt werden soll, kann ein zweiter Messdurchgang durchgeführt werden, bei dem die abgeblendeten Bereiche so ausgewählt sind, dass bei der Aufnahme eines Bildes für jeden Objektpunkt betrachtet das Licht nur aus Richtungen aus der Messkammer austritt, die in einer Ebene liegen. Die den Bildern zugeordneten Ebenen sind unterschiedlich und schneiden sich in einer zweiten Geraden, die in einem (vorzugsweise rechten) Winkel zu der ersten Geraden verläuft.If the inclination of the surface in two spatial directions is to be determined, a second measurement run can be carried out in which the blocked-off areas are selected so that when an image is taken for each object point, the light only exits the measuring chamber from directions that lie in one plane. The planes associated with the images are different and intersect in a second straight line that runs at an angle (preferably right) to the first straight line.
Auch in zwei Raumrichtungen ist dieser Messvorgang schneller durchführbar, als wenn ein annähernd punktförmiger Bereich über die gesamte Pupillenebene wandert.This measurement process can also be carried out more quickly in two spatial directions than if an approximately point-shaped area moves over the entire pupil plane.
Hervorzuheben ist, dass die Neigungswinkel in der vorstehend beschriebenen Weise pixelweise und nicht etwa gemittelt über das gesamte Bild gemessen werden.It should be emphasized that the tilt angles are measured pixel by pixel as described above and not averaged over the entire image.
Wenn die Messkamera zusätzliche Abstandsinformationen durch Einstellen verschiedener Schärfeebenen erhält, können die Gegenstände nicht nur in zwei, sondern in drei Dimensionen geometrisch vermessen werden.If the measuring camera receives additional distance information by setting different focal planes, the objects can be geometrically measured not only in two but in three dimensions.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
-
1 eine schematisch perspektivische Darstellung eines Koordinatenmessgeräts mit einem optischen Sensor, der eine erfindungsgemäße Messkamera enthält; -
2 einen schematischen Meridionalschnitt durch die Messkamera; -
3 eine perspektivische Darstellung eines Mikrospiegel-Arrays, das als variables Pupillenfilter verwendet wird; -
4 eine Variante der in der1 gezeigten Messkamera, bei der die Messkamera ein Beleuchtungssystem umfasst; -
5 einen schematischen meridionalen Schnitt durch einen Abschnitt des Werkstücks mit einer geneigten Oberfläche sowie Teilen der Messkamera; -
6 eine der5 entsprechende Darstellung, jedoch mit einer anders angeordneten Oberfläche; -
7 : eine der5 entsprechende Darstellung, jedoch mit einer schwächer geneigten Oberfläche, wobei ein axiales Lichtbündel eingezeichnet ist; -
8 eine der7 entsprechende Darstellung, in der ein außeraxiales Lichtbündel eingezeichnet ist; -
9a ,9b und9c jeweils eine Lichtverteilung (oben) in der Pupillenebene der Messkamera, die zur Messung der Neigung einer Planfläche eines Werkstücks verwendet wird, und einen schematischen Strahlengang (unten) zwischen dem Mikrospiegel-Array und dem Werkstück zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Messvorgangs; -
10a ,10b und10c an die9a ,9b bzw. 9c angelehnte Darstellungen für einen zweiten Messvorgang zur Messung eines zweiten Neigungswinkels.
-
1 a schematic perspective view of a coordinate measuring machine with an optical sensor containing a measuring camera according to the invention; -
2 a schematic meridional section through the measuring camera; -
3 a perspective view of a micromirror array used as a variable pupil filter; -
4 a variant of the1 measuring camera shown, in which the measuring camera includes an illumination system; -
5 a schematic meridional section through a section of the workpiece with an inclined surface and parts of the measuring camera; -
6 one of the5 corresponding representation, but with a differently arranged surface; -
7 : one of the5 corresponding representation, but with a less inclined surface, with an axial light beam drawn in; -
8th one of the7 corresponding representation in which an off-axis light beam is drawn; -
9a ,9b and9c a light distribution (top) in the pupil plane of the measuring camera used to measure the inclination of a flat surface of a workpiece, and a schematic beam path (bottom) between the micromirror array and the workpiece at different times of the measuring process; -
10a ,10b and10c to the9a ,9b or 9c Similar representations for a second measuring process to measure a second angle of inclination.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
1. Aufbau des Koordinatenmessgeräts1. Structure of the coordinate measuring machine
Die
Das Koordinatenmessgerät 10 umfasst eine Basis 12, die einen Tisch 14 trägt, an dem ein Steuerpult 16 befestigt ist. Vom Tisch 14 ausgehend erstreckt sich nach oben ein Ständer 18, der eine Pinole 20 trägt. Wie ein Pfeil 22 andeutet, ist die Pinole 20 mit Hilfe eines nicht dargestellten Antriebs in vertikaler Richtung (z-Richtung) präzise verfahrbar.The coordinate measuring
An der Unterseite der Pinole 20 ist ein optischer Sensor 24 befestigt, mit dem ein Bild von einem Werkstück 26 aufgenommen werden kann. Das Werkstück 26 ist auf einem Kreuztisch 28 befestigt, mit dem das Werkstück 26 in der horizontalen Ebene (x-Richtung und y-Richtung) präzise verfahren werden kann, wie dies in der
Falls noch größere oder besonders schwere Werkstücke 26 vermessen werden sollen, kann das Koordinatenmessgerät 10 auch einen anderen mechanischen Aufbau haben und beispielsweise anstelle des Kreuztisches 28 ein bewegbares Portal aufweisen, an dem die Pinole 20 befestigt ist. Auf diese Weise lässt sich die Pinole 20 nicht nur entlang der z-Richtung, sondern auch entlang der x-Richtung und y-Richtung präzise verfahren, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist. Das Werkstück 26 muss dann während der Messung nicht bewegt werden.If even larger or particularly
2. Aufbau des Sensors2. Structure of the sensor
Der Sensor 24 enthält eine Messkamera 40, deren optischer Aufbau in der
Die Messkamera 40 enthält ein Objektiv 42, das ein erstes Teilobjektiv 44 und ein zweites Teilobjektiv 46 umfasst. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Teilobjektive 44, 46 jeweils nur durch eine einzige Linse repräsentiert. Sie können jedoch auch aus mehr als nur einer Linse bestehen. Aus Gründen, die weiter unten näher erläutert werden, sollte das Objektiv 42 eine größere numerische Apertur als herkömmliche Messobjektive haben.The measuring camera 40 contains a lens 42 which comprises a first partial lens 44 and a second partial lens 46. In the illustrated embodiment, the partial lenses 44, 46 are each represented by only a single lens. However, they can also consist of more than just one lens. For reasons that will be explained in more detail below, the lens 42 should have a larger numerical aperture than conventional measuring lenses.
Die Brennweiten der beiden Teilobjektive 44, 46 sind in der
4f-Optiken sind beidseitig telezentrisch. Dies bedeutet, dass sowohl die Eintrittspupille als auch die Austrittspupille im Unendlichen liegt und die Hauptstrahlen sowohl im Objektraum als auch im Bildraum parallel zur optischen Achse verlaufen. Die objektseitige Telezentrie führt zu der für Messkameras wichtigen Eigenschaft, dass der Abbildungsmaßstab sich bei einer axialen Objektverschiebung nicht ändert. Das Bild des Objekts erscheint also unabhängig vom Objektabstand immer gleich groß, wird aber selbstverständlich unscharf, wenn das Objekt (Werkstück 26) außerhalb der Objektebene 47 angeordnet ist. Bei einer 4f-Optik ist dies die vordere Brennebene des ersten Teilobjektivs 44.4f optics are telecentric on both sides. This means that both the entrance pupil and the exit pupil are at infinity and the main rays run parallel to the optical axis in both the object space and the image space. The object-side telecentricity leads to the property, which is important for measuring cameras, that the image scale does not change when the object is axially shifted. The image of the object therefore always appears the same size regardless of the object distance, but of course becomes blurred if the object (workpiece 26) is located outside the object plane 47. In a 4f optic, this is the front focal plane of the first partial lens 44.
Bei der dargestellten 4f-Optik befindet sich die Pupillenebene 48 des Objektivs 42 an der Schnittstelle zwischen den beiden Teilobjektiven 44, 46, d.h. in der hinteren Brennebene des ersten Teilobjektivs 44 und damit in der vorderen Brennebene des zweiten Teilobjektivs 46. Parallel in das Objektiv 42 eintretende Lichtstrahlen durchtreten die Pupillenebene 48 an einem Punkt, der im Falle von achsparallelen Strahlen auf der optischen Achse liegt. In the illustrated 4f optics, the pupil plane 48 of the objective 42 is located at the interface between the two partial objectives 44, 46, i.e. in the rear focal plane of the first partial objective 44 and thus in the front focal plane of the second partial objective 46. Light rays entering parallel into the objective 42 pass through the pupil plane 48 at a point which, in the case of axis-parallel rays, lies on the optical axis.
Umgekehrt übersetzen sich unterschiedliche Orte in der Objektebene 47 in unterschiedliche Winkel in der Pupillenebene 48.Conversely, different locations in the object plane 47 translate into different angles in the pupil plane 48.
In der Pupillenebene 48 des Objektivs 42 ist ein digitales Mikrospiegel-Array 50 angeordnet. Die
Die Mikrospiegel 51 des Mikrospiegel-Arrays 50 haben jeweils zwei stabile Kippstellungen, bei denen die Mikrospiegel 51 entweder um einen Winkel +α oder -α ausgelenkt sind, wobei α typischerweise in der Größenordnung von etwa 12° liegt. Wenn ein Mikrospiegel 51 spannungsfrei ist, beträgt der Kippwinkel α ungefähr 0°. Die Oberfläche des Mikrospiegels 51 verläuft dann annähernd parallel zu einer Montageebene des Mikrospiegel-Arrays. Allerdings ist diese neutrale Kippstellung nicht definiert, weswegen sie üblicherweise bei Anwendungen des Mikrospiegel-Arrays - und so auch in der Messkamera 40 - nicht verwendet wird.The micromirrors 51 of the micromirror array 50 each have two stable tilt positions in which the micromirrors 51 are deflected by either an angle +α or -α, where α is typically in the order of about 12°. If a micromirror 51 is stress-free, the tilt angle α is approximately 0°. The surface of the micromirror 51 then runs approximately parallel to a mounting plane of the micromirror array. However, this neutral tilt position is not defined, which is why it is usually not used in applications of the micromirror array - and thus also in the measuring camera 40.
Aus Bauraumgründen und um Abschattungen zu vermeiden, befindet sich im Strahlengang zwischen der Pupillenebene 48 und dem zweiten Teilobjektiv 46 ein planer Umlenkspiegel 52. Je nach den Abmessungen im Einzelfall kann es zweckmäßig sein, wenn die Montageebene des Mikrospiegel-Arrays 50 nicht senkrecht zur Papierebene der
In einer Bildebene 54 des Objektivs 42 ist ein zweidimensionaler Bildsensor 56 angeordnet, bei dem es sich beispielsweise um einen CCD- oder CMOS-Bildsensor handeln kann. A two-dimensional image sensor 56 is arranged in an image plane 54 of the lens 42, which can be, for example, a CCD or CMOS image sensor.
Das Mikrospiegel-Array 50 und der Bildsensor 56 werden von einer Steuereinrichtung 58 angesteuert. Mit dem Bildsensor 56 ist außerdem eine Auswerteeinrichtung 60 verbunden, welche die von dem Bildsensor 56 aufgenommenen Bilder des Werkstücks 26 unter Berücksichtigung der vom Mikrospiegel-Array 50 in der Pupillenebene 48 erzeugten Filterfunktion auswertet. Die Steuereinrichtung 58 und die Auswerteeinrichtung 60 werden im Folgenden gemeinsam Ansteuereinheit genannt.The micromirror array 50 and the image sensor 56 are controlled by a control device 58. An evaluation device 60 is also connected to the image sensor 56, which evaluates the images of the
Die mit dem Mikrospiegel-Array 50 erzeugbare Filterfunktion ist digital. Befindet sich ein Mikrospiegel 51 in einer ersten Kippstellung, wird Licht, das von dem Werkstück 26 reflektiert wurde, so von dem Mikrospiegel 51 reflektiert, dass es auf den Bildsensor 56 gelangen kann. Befindet sich der Mikrospiegel 51 hingegen in der zweiten stabilen Kippstellung, wird Licht, das von dem Werkstück 26 reflektiert wurde, so reflektiert, dass es nicht auf den Bildsensor 56 gelangen kann.The filter function that can be generated with the micromirror array 50 is digital. If a micromirror 51 is in a first tilt position, light that was reflected by the
Soll mit dem Mikrospiegel-Array 50 beispielsweise eine Filterfunktion realisiert werden, bei der nur der achsparallele Anteil des vom Werkstück 26 ausgehenden Lichtes dem Bildsensor 56 zugeführt werden soll, so werden nur einige wenige Mikrospiegel 51, die sich in der Nähe der optischen Achse 62 des Objektivs 42 befinden, in die erste Kippstellung überführt. Alle übrigen Mikrospiegel 51 befinden sich in der zweiten Kippstellung, so dass das darauf auftreffende Licht nicht auf den Bildsensor 56 gelangen kann.If, for example, a filter function is to be implemented with the micromirror array 50, in which only the axially parallel portion of the light emanating from the
Soll für ein anderes Bild nur Licht auf den Bildsensor 56 gelangen, das unter einem bestimmten Winkel zur optischen Achse 62 des Werkstücks 26 verlässt, steuert die Steuereinrichtung 58 das Mikrospiegel-Array 50 so an, dass Mikrospiegel 51, die in einem zur optischen Achse 62 zentrierten ringförmigen Bereich der Pupillenebene 48 liegen, sich in der ersten Kippstellung befinden und alle übrigen Mikrospiegel 51 sich in der zweiten Kippstellung befinden. Der Radius des ringförmigen Bereichs hängt dabei von dem gewünschten Winkel ab.If, for another image, only light that leaves the image sensor 56 at a certain angle to the optical axis 62 of the
Das variable Pupillenfilter in Form des Mikrospiegel-Arrays 50 benötigt nicht nur wenig Bauraum, sondern ist mit rund 10.000 Schaltvorgängen pro Sekunde auch extrem schnell. Dadurch lassen sich praktisch instantan umfangreiche Bildsequenzen erzeugen, die mit unterschiedlichen Pupillenfilterungen aufgenommen wurden. Aufgrund der hohen Auflösung von rund 4 Millionen Pixeln lässt sich die Filterfunktion des Pupillenfilters sehr exakt einstellen.The variable pupil filter in the form of the micromirror array 50 not only requires little installation space, but is also extremely fast with around 10,000 switching operations per second. This means that extensive image sequences recorded with different pupil filters can be generated almost instantly. Due to the high resolution of around 4 million pixels, the filter function of the pupil filter can be set very precisely.
Da die Reflektivität der Mikrospiegel 51 bei fast 90% liegt und der Füllfaktor über 90% liegt, sind die optischen Verluste erheblich geringer, als dies bei LCD-Panels mit ihren Polarisationsfiltern der Fall ist.Since the reflectivity of the micromirrors 51 is almost 90% and the fill factor is over 90%, the optical losses are considerably lower than is the case with LCD panels with their polarization filters.
3. Beleuchtungssystem3. Lighting system
Die
Im Unterschied zu der in der
Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Beleuchtungssystem zwei durch Linsen angedeutete Teilsysteme 73, 75, die identische oder annähernd identische Brennweiten f3 bzw. f4 haben. Auf diese Weise lässt sich eine Köhlersche Beleuchtung realisieren, bei der eine Lichtquelle 74 über die Teilsysteme 73, 75 in die Pupillenebene 48 und damit auf das Mikrospiegel-Array 50 abgebildet wird.In the illustrated embodiment, the illumination system comprises two subsystems 73, 75 indicated by lenses, which have identical or almost identical focal lengths f 3 and f 4 , respectively. In this way, Köhler illumination can be realized, in which a light source 74 is imaged via the subsystems 73, 75 into the pupil plane 48 and thus onto the micromirror array 50.
Wenn die Lichtquelle 74 als Punktlichtquelle ausgebildet ist, wie dies in der
Mit der in der
Wenn, wie im nächsten Abschnitt erläutert wird, sich zu einem gegebenen Zeitpunkt nur wenige Mikrospiegel 51 in der ersten Kippstellung befinden, bedeutet dies zwangsläufig, dass sich alle anderen Mikrospiegel 51 in der zweiten Kippstellung befinden und somit das Werkstück 26 mit einem breiten Beleuchtungswinkelbereich beleuchtet wird, bei dem nur wenige Beleuchtungsrichtungen fehlen.If, as explained in the next section, only a few micromirrors 51 are in the first tilt position at a given time, this necessarily means that all other micromirrors 51 are in the second tilt position and thus the
4. Einstellung des Betrachtungswinkels4. Adjusting the viewing angle
Wie in der
Auf der geneigten Oberfläche 78 befinden sich Strukturen 79, deren Orte nur dann frei von Verzerrungen und Abschattungen von der Messkamera 40 erfasst werden können, wenn die Strukturen in Aufsicht von der Messkamera 40 betrachtet werden. Dies bedeutet, dass für solche Messungen die Betrachtungsrichtung senkrecht zur Oberfläche 78 verlaufen muss.On the
Eine solche senkrechte Betrachtungsrichtung auf der geneigten Oberfläche 78 wird erfindungsgemäß realisiert, indem das Pupillenfilter (d.h. das Mikrospiegel-Arrays 50) in geeigneter Weise eingestellt wird. Wie dabei vorzugehen ist, wird im Folgenden mit Bezug auf die
Bevor ein Bild der geneigten Oberfläche 78 aufgenommen werden kann, muss deren Orientierung relativ zu der optischen Achse 62 des Objektivs 42 ermittelt werden. Hierzu können an sich bekannte Autofokusverfahren, zusätzliche Neigungssensoren oder aber das im nächsten Abschnitt 5 erläuterte Verfahren verwendet werden. In der
Ferner muss die Betrachtungsrichtung, aus der die Messkamera 40 die Oberfläche 78 betrachten soll, festgelegt werden. Im vorliegenden Beispiel wird unterstellt, dass die Oberfläche 78 senkrecht von der Messkamera 40 betrachtet werden soll. Die Betrachtungsrichtung ist keine absolute Richtung im Raum, sondern wird relativ zu der Oberfläche 78 festgelegt. Bei dem hier unterstellten Sonderfall der senkrechten Betrachtungsrichtung schließt diese mit der Oberfläche 78 unabhängig von der Schnittebene einen Winkel β = 90° ein.Furthermore, the viewing direction from which the measuring camera 40 is to view the
Auf der Grundlage der Orientierung der Oberfläche 78 und der vorgegebenen Betrachtungsrichtung lässt sich die einzuhaltende Hauptstrahlrichtung ermitteln, die relativ zur optischen Achse 62 der Messkamera 40 festgelegt ist. Bei dem hier unterstellten Sonderfall der senkrechten Betrachtungsrichtung (β = 90°) gilt für den Hauptstrahlwinkel γ = α. Im allgemeinen Fall gilt für die in der
In einem nächsten Schritt wird ein Teilbereich 82 des oben in der
Nachdem die Auswerteeinrichtung 60 den Teilbereich 82 rechnerisch festgelegt hat, steuert die Steuereinrichtung 58 die Mikrospiegel 51 des Mikrospiegel-Arrays 50 so an, dass sich nur die Mikrospiegel im festgelegten Teilbereich 82 in der ersten Kippstellung befinden.After the evaluation device 60 has mathematically determined the partial area 82, the control device 58 controls the micromirrors 51 of the micromirror array 50 such that only the micromirrors in the defined partial area 82 are in the first tilt position.
Wird nun ein Bild der Oberfläche 78 aufgenommen, treffen die Hauptstrahlen 84 alle senkrecht auf die Oberfläche 78 auf, was der gewünschten senkrechten Betrachtungsrichtung entspricht. Die Messkamera betrachtet die geneigte Oberfläche 78 somit senkrecht von oben, ohne dass das Werkstück 26 oder die Messkamera 40 bewegt werden müssen.If an image of the
Die
Die in der
Die
Bei der erfindungsgemäßen Messkamera 40 lässt sich die Hauptstrahlrichtung 80 innerhalb von Sekundenbruchteilen verändern, da hierzu lediglich Mikrospiegel 51 ihre Kippstellung ändern müssen. Wie weiter oben bereits erwähnt wurde, liegen die Schaltfrequenzen derartiger Mikrospiegel-Arrays 50 in der Größenordnung von 10 KHz.In the measuring camera 40 according to the invention, the main beam direction 80 can be changed within fractions of a second, since only micromirrors 51 have to change their tilt position. As already mentioned above, the switching frequencies of such micromirror arrays 50 are in the order of 10 KHz.
Der Teilbereich 82 hat im dargestellten Ausführungsbeispiel eine kreisrunde Kontur, deren Durchmesser die für die Abbildung zur Verfügung stehende numerische Apertur NA festlegt. Beträgt diese numerische Apertur beispielsweise NA = 0,05 und die numerische Apertur des Objektivs 42 NAobj = 0.2, was dem Durchmesser des maximal auf dem Pupillenfilter 50 ausleuchtbaren Bereichs 86 entspricht, so lässt sich die Hauptstrahlrichtung 80 innerhalb eines Winkelbereichs von etwa ±8,6° durch entsprechende Ansteuerung des Mikrospiegel-Arrays 50 variieren. Je größer die zur Verfügung stehende numerische Apertur NAobj des Objektivs 42 ist, desto größer ist auch der verfügbare Winkelbereich.In the embodiment shown, the partial area 82 has a circular contour, the diameter of which determines the numerical aperture NA available for imaging. If this numerical aperture is, for example, NA = 0.05 and the numerical aperture of the objective 42 is NA obj = 0.2, which corresponds to the diameter of the maximum area 86 that can be illuminated on the pupil filter 50, the main beam direction 80 can be varied within an angular range of approximately ±8.6° by appropriately controlling the micromirror array 50. The larger the available numerical aperture NA obj of the objective 42, the larger the available angular range.
Wie genau die Hauptstrahlrichtung eingestellt werden kann, hängt vor allem von der Auflösung des Pupillenfilters, d.h. im vorliegenden Fall der Zahl der Mikrospiegel 51 pro Flächeneinheit, ab. Mit den derzeit zur Verfügung stehenden Pupillenfiltern lässt sich beispielsweise eine Winkelrasterung von etwa 0,02° realisieren.How precisely the main beam direction can be set depends primarily on the resolution of the pupil filter, i.e. in this case the number of micromirrors (51) per unit area. With the pupil filters currently available, for example, an angle grid of around 0.02° can be achieved.
5. Neigungsmessung5. Inclination measurement
Mit der in der
Dieses Vorgehen wird im Folgenden näher anhand der
Zu einem ersten Zeitpunkt, der in der
Nach spekularer Reflexion an der Oberfläche 78 tritt das Licht wieder in das Objektiv 42 ein und trifft in einem schmalen Bereich der Pupillenebene 48, der außerhalb des streifenförmigen Bereichs 761 angeordnet ist. Dort befinden sich alle Mikrospiegel 51 in der ersten Kippstellung, so dass das Licht in Richtung des Bildsensors 56 gerichtet wird und diesen weitgehend vollständig ausleuchtet. Die Intensität wird für jeden Pixel des Bildsensors 56 erfasst.After specular reflection on the
Während des Messvorgangs wandert der streifenförmige Bereich 761, in dem die Mikrospiegel 51 sich in der ersten Kippstellung befinden, nach und nach über das Mikrospiegel-Array 50 hinweg. Nach jeder Verstellung der Mikrospiegel 51 wird ein Bild von dem Bildsensor 56 aufgenommen und erneut für jeden Pixel des Bildsensors 56 die Intensität erfasst.During the measuring process, the strip-shaped region 761, in which the micromirrors 51 are in the first tilt position, gradually moves across the micromirror array 50. After each adjustment of the micromirrors 51, an image is recorded by the image sensor 56 and the intensity is recorded again for each pixel of the image sensor 56.
Die
Bei der in der
Da jedem Ort des Streifens 762 in der Pupillenebene 48 ein bestimmtes Winkelspektrum zugeordnet ist, lässt sich durch Verknüpfen des Winkelspektrums mit der vom Bildsensor 56 erfassten Gesamtintensität ermitteln, bei welchen Winkeln das Messlicht senkrecht auf die Oberfläche 78 gefallen ist.Since each location of the strip 762 in the pupil plane 48 is assigned a specific angle spectrum, by linking the angle spectrum with the total intensity detected by the image sensor 56, it is possible to determine at which angles the measuring light fell perpendicularly onto the
Mit dem anhand der
Für die Funktion spielt es jedoch keine Rolle, ob das Licht nur aus genau einer Richtung oder aus mehreren Richtungen innerhalb einer der besagten Ebenen kommt. Bei der in der
Bei den in den
Um auch den Neigungswinkel in einer zur Papierebene senkrechten Ebene ermitteln zu können, kann der Messvorgang wiederholt werden. Die streifenförmigen Bereiche 761 bis 763 sind dann um 90° verdreht ausgerichtet, wie dies die
Ist für mindestens einen Oberflächenpunkt eine tatsächliche Raumkoordinate bekannt, können in einem weiteren Auswertungsschritt die gemessenen Oberflächenwinkel durch entsprechende Integration in eine geschlossene Oberflächenform überführt werden. Geeignete Verfahren sind im Stand der Technik bekannt, weswegen dies an dieser Stelle nicht weiter ausgeführt wird.If an actual spatial coordinate is known for at least one surface point, the measured surface angles can be converted into a closed surface shape by appropriate integration in a further evaluation step. Suitable methods are known in the state of the art, which is why this will not be discussed further here.
Die vorstehend erläuterte Messung der Neigungswinkel erfolgt ortsaufgelöst, da jeder Pixel des Bildsensors 56 genau einem Ort auf der Oberfläche 78 des Werkstücks 26 zugeordnet ist und die Intensitäten an den unterschiedlichen Orten unabhängig voneinander sind. Dadurch können auch komplizierte wellenförmige Oberflächenprofile von spekular reflektierenden Oberflächen sehr einfach mit hoher Genauigkeit gemessen werden.The measurement of the inclination angles explained above is carried out with spatial resolution, since each pixel of the image sensor 56 is assigned to exactly one location on the
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