Koordinatenmessgerats

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines fokussierten

Bildabstands eines optischen Sensors eines Koordinatenmessgerats auf ein zu vermessendes Werkstück, wobei der optische Sensor und das Werkstück in einer Z-Richtung relativ zueinander bewegbar sind, so dass ein Abstand in der Z-Richtung zwischen dem Werkstück und dem optischen Sensor veränderbar ist, mit den folgenden Schritten:

- Festlegen eines Fangbereichs zwischen einem ersten Abstand als Startabstand und einem zweiten Abstand als Endabstand;

Erstes Verändern des Abstands zwischen dem Werkstück und dem optischen Sensor innerhalb des Fangbereichs, wobei der optische Sensor während des Ver- änderns des Abstands erste Bilder des Werkstücks erfasst, und wobei jedem er- fassten ersten Bild ein erster Fokuswert und ein erster Bildabstand zugeordnet wird.

[0002] Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Koordinatenmessgerät mit einem

optischen Sensor und einer Regelungseinrichtung zur Fokussierung des optischen Sensors.

[0003] Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind beispielsweise aus der

Druckschrift DE 10 2007 039 981 A1 bekannt.

[0004] Koordinatenmessgeräte sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Sie dienen dazu, beispielsweise im Rahmen einer Qualitätssicherung Werkstücke zu überprüfen oder die Geometrie eines Werkstücks vollständig im Rahmen eines sog. "Reverse Engineering" zu ermitteln. Darüber hinaus sind vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar.

[0005] In derartigen Koordinatenmessgeräten können verschiedene Arten von Sensoren zur

Anwendung kommen, um die Koordinaten eines zu vermessenden Werkstücks zu erfassen. Beispielsweise sind hierzu taktil messende Sensoren bekannt, wie sie beispielsweise von der Anmelderin unter der Produktbezeichnung "Vast XT" oder "VAST XXT" vertrieben werden. Hierbei wird die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks mit einem Taststift angetastet, dessen Koordinaten im Messraum ständig bekannt sind. Ein derartiger Taststift kann auch entlang der Oberfläche eines Werkstücks bewegt werden, so dass in einem solchen Messvorgang im Rahmen eines sog. "Scanning-Verfahrens" eine Vielzahl von Messpunkten in festgelegten zeitlichen Abständen erfasst werden kann.

[0006] Darüber hinaus ist es bekannt, optische Sensoren einzusetzen, die ein berührungsloses

Erfassen der Koordinaten eines Werkstücks ermöglichen. Ein Beispiel für einen derartigen optischen Sensor ist der unter der Produktbezeichnung "ViScan" von der Anmelderin vertriebene optische Sensor. Die Sensoren können dann in verschiedenen Arten von Messaufbauten verwendet werden. Ein Beispiel für einen solchen Messaufbau ist das Produkt "O-Inspect" der Anmelderin. Bei einem derartigen Gerät finden sowohl ein optischer Sensor als auch ein taktiler Sensor Anwendung, um verschiedene Prüfaufgaben an einer Maschine und idealerweise mit einer einzigen Aufspannung eines zu vermessenden Werkstücks durchzuführen. Auf diese Weise lassen sich einfach sämtliche Prüfaufgaben beispielsweise in der Medizintechnik, der Kunststofftechnik, der Elektronik und der Feinmechanik durchführen. Selbstverständlich sind darüber hinaus auch verschiedene andere Aufbauten denkbar.

In einem Gerät, wie beispielsweise dem "O-Inspect", wird das vermessene Werkstück auf einem Tisch aufgespannt. Der Tisch bildet dabei eine X- Y-Ebene. Senkrecht von dieser Ebene, d.h. in Z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems, ist der optische Sensor von dem zu vermessenden Werkstück beabstandet. Abhängig von dem zu vermessenden Werkstück und der relativen Position des optischen Sensors und des Tischs zueinander ist der optische Sensor auf das zu vermessende Werkstück zu fokus- sieren. In der Regel gilt dabei für alle X- Y-Positionen des Tischs eine Fokussierung in Z- Richtung.

Die Fokussierung wird dabei automatisch von dem Koordinatenmessgerät durchgeführt. Dies erfolgt bekannterweise derart, dass ein Anwender den optischen Sensor zunächst manuell auf eine Position bzw. einen Abstand zu dem zu vermessenden Werkstück bewegt, in dem er etwa eine maximale Schärfe bzw. Fokussierung auf das Werkstück erwartet. Er gibt dann einen Suchbereich in Form einer Längenangabe bzw. einer Entfernung in Z-Richtung vor, in der nach der maximalen Schärfe bzw. besten Fokussierung gesucht werden soll.

Die Kamera wird dann um die Hälfte des vorgegebenen Suchbereichs weiter von dem zu vermessenden Werkstück entfernt und bewegt sich dann bis zum Ende des Suchbereichs auf das Werkstück zu. Während dieser Kamerafahrt werden mittels des optischen Sensors in bestimmten Zeitintervallen Bilder dieses Werkstücks erfasst und von dem Koordinatenmessgerät von dem optischen Sensor abgefragt. Im Rahmen einer Auswertung wird dann ein sog. Fokuswert eines bestimmten Bereichs des abgefragten Bildes ermittelt und die Position bzw. der Abstand zu dem zu vermessenden Werkstück, in dem die Bildanforderung abgeschickt wurde, zusammen mit dem Fokuswert gespeichert. Mit der so ermittelten Vielzahl von Fokuswerten und den jeweils zugehörigen Abständen zu dem zu vermessenden Werkstück lässt sich eine sog. Fokuswertkurve auftragen. Aus dieser Fokuswertkurve lässt sich ein Extremwert bestimmen. Der zu dem Extremwert dazugehörige Abstand stellt dann denjenigen Abstand dar, in dem die maximale Schärfe bzw. die beste Fokussierung des optischen Sensors vorliegt und der optische Sensor wird in diesem Abstand zu dem zu vermessenden Werkstück eingestellt.

[0011] Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren zum Bestimmen eines Fokuswerts bekannt. Beispielsweise kann für die Auswertung ein Bereich der Bilder ausgewählt werden, in dem eine Kante eines zu vermessenden Werkstücks liegt. In diesem Bereich befindet sich dann ein sehr abrupter Farbübergang bzw. Hell-Dunkel-Übergang. Ein Fokuswert kann dann beispielsweise der maximale Gradient der Graustufenwerte des Bildes senkrecht zu der Kante sein. Je schärfer ein Bild eingestellt ist, desto höher wird der Gradient sein, da idealerweise ein abrupter Übergang von Hell zu Dunkel von einem Pixel auf den nächsten erfolgt. Je unschärfer das Bild eingestellt ist, desto kontinuierlicher ist der Hell-Dunkel-Übergang und desto geringer ist der Gradient. Selbstverständlich sind darüber hinaus auch viele weitere Möglichkeiten zur Bestimmung eines Fokuswerts denkbar und bekannt.

[0012] Wenn bei derartigen Verfahren systembedingt keine Möglichkeit besteht, einem jeweiligen

Bild den exakten Abstand direkt zuzuordnen, in dem es aufgenommen wurde, kann es zu Ungenauigkeiten der Abstandsbestimmung kommen. Bei einer kontinuierlichen Kamerafahrt durch den Suchbereich stimmt der Zeitpunkt der Verwendung eines Bildes von dem optischen Sensor durch das Koordinatenmessgerät angeforderten Bildes niemals mit dem Zeitpunkt überein, in dem der optische Sensor das auf die Anfrage gelieferte Bild tatsächlich aufgenommen hat. Zum Beispiel können durch den optischen Sensor kontinuierlich Bilder aufgenommen und für eine nachfolgende Verwendung direkt zur Verfügung gestellt werden. Fragt das Koordinatenmessgerät, bzw. seine Regelungseinrichtung, ein Bild ab, so wird das jeweils aktuelle Bild geliefert. Dies bedeutet jedoch, dass das Koordinatenmessgerät, wenn es ein Bild anfordert, ein Bild erhält, das vor einem gewissen Zeitraum erzeugt und übertragen wurde und somit eigentlich schon "älter" ist. Umgekehrt kann vorgesehen sein, dass das Koordinatenmessgerat, bzw. seine Regelungseinrichtung, bei dem optischen Sensor ein Bild in Auftrag gibt. Je nach den verwendeten Systemkomponenten kann es unterschiedlich lange dauern, bis dann ein Bild von einem optischen Sensor aufgenommen wird und zur Verfügung steht. Der Abstand zum Zeitpunkt der Aufnahme ist dann ein anderer als der Abstand zum Zeitpunkt des In-Auftrag-Gebens des Bildes, da sich die Kamera zwischenzeitlich schon bewegt hat oder es zu anderen Störeinflüssen durch das Verfahren der Maschine kommt. Der zu einem bestimmten Bild hinterlegte Abstand zwischen optischem Sensor und zu vermessendem Werkstück ist somit niemals der tatsächliche Abstand.

[0013] Daher ist natürlich auch dann, wenn ein Bild ermittelt wurde, das eine maximale Schärfe aufweist, der für dieses Bild hinterlegte Abstand, auf den der optische Sensor zur Fokus- sierung eingestellt wird, nicht derjenige Abstand, in dem die maximale Schärfe auch tatsächlich erreicht wurde. Einem derartigen System ist somit ein gewisser Fehler inhärent.

[0014] Eine Möglichkeit, die Ermittlung einer optimalen Fokussierung eines optischen Sensors einzustellen, ist beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2009 027 353 A1 gezeigt. Hier ist für den bestimmten optischen Sensor eine normalisierte Fokuswertkurve hinterlegt. Dadurch kann bereits mit einer geringen Anzahl von Aufnahmen eine momentane Lage des optischen Sensors auf der normalisierten Fokuswertkurve ermittelt und der optische Sensor dann in eine Position gebracht werden, die auf der normalisierten Fokuswertkurve einer optimalen Position entspricht. Auf diese Weise kann zwar eine relativ zügige Auto- fokussierung bereitgestellt werden, in der Regel werden jedoch nicht die für die Koordina- tenmesstechnik erforderlichen Genauigkeitsanforderungen erfüllt. Darüber hinaus zeigt diese Druckschrift mehrere Beispiele für die Bestimmung von Fokuswerten.

[0015] Darüber hinaus sind mehrere weitere Möglichkeiten zur Erhöhung der Genauigkeit eines

Verfahrens zur Bestimmung der bestmöglichen Fokussierung eines optischen Sensors vorgeschlagen worden. Beispielsweise wird in der eingangs genannten Druckschrift DE 10 2007 039 981 A1 vorgeschlagen, in einem bestimmten Bereich der Fokuswertkurve die ermittelten Fokuswerte mit einer Funktion zu "fitten" und dann diese Kurve auszuwerten.

Darüber hinaus ist beispielsweise aus den Druckschriften DE 102 15 135 A1 und DE 10 2007 003 059 A1 bekannt, mehrere verschiedene Fokuskriterien an einem Bild zu ermitteln und diese etwa aufzusummieren oder gewichtet zu mittein, um möglichst genau die Lage des Abstands der maximalen Schärfe zu ermitteln.

Des Weiteren zeigen die Druckschriften 10 2005 009 554 A1 und WO 2006/125466 A1 verschiedene Vorschläge zur Bestimmung von Fokuswerten aufgenommener Bildstapel.

Nachteilig bei allen bekannten Verfahren zur Ermittlung der Position des besten

Fokuswertes ist, dass durch Vibrationen beim Durchfahren des Messbereichs die Genau igkeit der Positionsbestimmung des optischen Sensors und die Reproduzierbarkeit der Messungen begrenzt ist.

Vor diesem Hintergrund ist es eine technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstands eines optischen Sensors eines Koordinatenmessgeräts und ein Koordinatenmessgerät bereitzustellen, bei dem die Ermittlung des bestmöglichen fokussierten Bildabstands bei gleichbleibend hoher Genau igkeit und mit geringem Zeitaufwand erfolgt.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird daher vorgeschlagen, das eingangs genannte Verfahren durch die folgenden Schritte fortzubilden:

Auswerten der ersten Fokuswerte und Bestimmen eines vorläufigen fokussierten Bildabstandes auf der Grundlage der ersten Fokuswerte und Bestimmen einer Mehrzahl von zweiten Bildabständen auf der Grundlage des vorläufigen fokussierten Bildabstandes; - zweites Verändern des Abstands zwischen dem Werkstück und dem optischen

Sensor, wobei der optische Sensor und/oder das Werkstück zur in den zweiten Bildabständen erfolgenden Bildaufnahme jeweils zum Stillstand gebracht wird und der optische Sensor mit den zweiten Bildabständen zweite Bilder des Werkstücks erfasst, und wobei jedem erfassten zweiten Bild ein zweiter Fokuswert und der jeweilige zweite Bildabstand zugeordnet wird; und

- Auswerten der zweiten Fokuswerte und Ermitteln des fokussierten Bildabstands auf der Grundlage der zweiten Fokuswerte.

[0022] Der Bildabstand ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein die Lage der Fokusebene relativ zu dem Werkstück repräsentierender Wert, bei dem das jeweilige Bild aufgenommen wird.

[0023] Während des zweiten Veränderns des Abstandes kann der optische Sensor und/oder das

Werkstück bewegt werden, um den Abstand zu variieren. Zur Bildaufnahme werden in den zweiten Bildabständen entsprechend der optische Sensor und/oder das Werkstück zum Stillstand gebracht, so dass der optische Sensor und das Werkstück beim Erfassen der zweiten Bilder sich in Ruhe bzw. im Stillstand befinden.

[0024] Dadurch, dass der optische Sensor und/oder das Werkstück während des ersten

Veränderns des Abstands dem erfassten ersten Bild einen ersten Fokuswert und einen ersten Bildabstand zuordnet, kann innerhalb des Fangbereichs, der einen Messbereich zwischen dem Startabstand und dem Endabstand bildet, mit geringem Zeitaufwand ein vorläufiger Näherungswert des zu ermittelnden fokussierten Bildabstands bestimmt werden, wobei der zu ermittelnde fokussierte Bildabstand auf der Grundlage der zweiten ermittelten Fokuswerte bestimmt wird, die an Positionen jeweils im Stillstand des optischen Sensors und des Werkstücks erfasst werden, um eine präzise Bestimmung der Fokuswerte zu ermöglichen und einen präzisen fokussierten Bildabstand mit reduziertem Messaufwand bereitstellen zu können. Da die zweiten Bildabstände zum Erfassen der zweiten Bilder auf der Grundlage des vorläufigen fokussierten Bildabstandes und entsprechend auf der Grundlage der ersten Fokuswerte bestimmt werden, können die Positionen der Bildaufnahmen nahe dem voläufigen Näherungswert des fokussierten Bildabstandes positioniert werden, so dass mit einer geringen Anzahl von zweiten Messungen eine präzise Bestimmung des fokussierten Bildabstandes möglich ist. Da die zweiten Bilder jeweils im Stillstand des optischen Sensors und des Werkstücks erfasst werden, können präzise Messungen der zweiten Fokuswerte ohne den störenden Einfluss von Vibrationen bestimmt werden, so dass eine präzise und reproduzierbare Bestimmung des fokussierten Bildabstands möglich ist.

Durch die Kombination der Messung der ersten Bilder während des Veränderns des Abstandes zwischen dem optischen Sensor und dem Werkstück mit dem Erfassen der zweiten Bilder im Stillstand kann mit geringem Zeitaufwand und gleichzeitig mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit der fokussierte Bildabstand des optischen Sensors ermittelt werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen, das eingangs genannte Koordinatenmessgerät dahingehend weiterzubilden, dass die Regelungseinrichtung zur Ausführung eines Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung eingerichtet ist.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird darüber hinaus ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm bereitgestellt, das Programmcodemittel zur Durchführung eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Koordinatenmessgerät oder einer Datenverarbeitungseinrichtung eines Koordinatenmessgeräts, die insbesondere auch als externe Einheit an das Koordinatenmessgerät angeschlossen sein kann, oder einer Regelungseinrichtung eines Koordinatenmessgeräts ausgeführt wird.

Das Koordinatenmessgerät gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und das

Computerprogrammprodukt gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weisen dieselben Vorteile wie das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf. [0030] Die eingangs gestellte Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.

[0031] In einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das erste Verändern des Abstands

zwischen dem Werkstück und dem optischen Sensor innerhalb des Fangbereichs kontinuierlich.

[0032] Dadurch können die ersten Bilder und entsprechend die ersten Fokuswerte und die

jeweiligen ersten Bildabstände mit geringem Zeitaufwand in einer Autofokusfahrt ermittelt werden, so dass der Zeitaufwand zur Bestimmung des fokussierten Bildabstands reduziert werden kann.

[0033] In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden die zweiten Bildabstände innerhalb eines zweiten Fangbereichs bestimmt, wobei der zweite Fangbereich kleiner ist als der erste Fangbereich.

[0034] Dadurch kann der zeitliche Aufwand zur Bestimmung der zweiten Bilder und der

entsprechenden zweiten Fokuswerte reduziert werden, da der abzufahrende Messbereich reduziert ist.

[0035] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden drei zweite Bildabstände

innerhalb des zweiten Fangbereichs bestimmt.

[0036] Dadurch kann mit geringem Zeitaufwand eine präzise Bestimmung des fokussierten

Bildabstands bereitgestellt werden.

[0037] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der vorläufige fokussierte

Bildabstand auf der Grundlage eines Extremwerts einer Funktion der ersten Fokuswerte bestimmt.

[0038] Es wird dabei der vorläufige fokussierte Bildabstand als der Extremwert der Funktion der ersten Fokuswerte bestimmt, um den fokussierten Bildabstand möglichst präzise anzunähern, wobei die zweiten Bildabstände auf der Grundlage des so angenäherten fokussier- ten Bildabstandes bestimmt werden. Dadurch kann der fokussierte Bildabstand mit einer geringen Anzahl von erfassten zweiten Bildern und zweiten Fokuswerten bestimmt werden, wodurch der zeitliche Aufwand zur Bestimmung des fokussierten Bildabstandes weiter reduziert werden kann.

[0039] In einer weiteren Ausgestaltung wird der vorläufige fokussierte Bildabstand auf der

Grundlage eines Extremwerts der ersten Fokuswerte und einem zugeordneten ersten Bildabstand bestimmt.

[0040] Dadurch kann mit technisch geringem Aufwand ein Extremwert der Fokuswerte

ausgewählt werden als vorläufiger Näherungswert für den fokussierten Bildabstand, wodurch der technische Aufwand des Verfahrens insgesamt reduziert werden kann.

[0041] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der zweite Fangbereich in einem vordefinierten Bereich um den Extremwert des ersten Bildabstands bestimmt.

[0042] Dadurch kann der zeitliche Aufwand zur Bestimmung des fokussierten Bildabstands

reduziert werden, da die zweiten Bilder und die zweiten Fokuswerte in einem Bereich um den Näherungswert des fokussierten Bildabstands erfasst werden.

[0043] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der fokussierte Bildabstand als

Extremwert einer Funktion der zweiten Fokuswerte ermittelt.

[0044] Dadurch kann der fokussierte Bildabstand präzise bestimmt werden, da die zweiten Bilder und die zweiten Fokuswerte lediglich an wenigen Stützpunkten ermittelt werden müssen, auf deren Grundlage die Funktion der zweiten Fokuswerte zum Bestimmen des fokussierten Bildabstands ermittelt werden.

[0045] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Funktion der zweiten Fokuswerte mittels eines Interpolationsverfahrens bestimmt. Dadurch kann der fokussierte Bildabstand als Extremwert der Funktion auch zwischen den Messpositionen präzise bestimmt werden, wodurch mit einer geringen Anzahl von Messpositionen und einem entsprechend geringeren Zeitaufwand für die Messung der fokussierte Bildabstand präzise bestimmt werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann die Funktion auf der Grundlage einer Polynominterpolation bestimmt werden.

[0048] Dadurch ist eine präzise Bestimmung der Funktion der zweiten Fokuswerte mit geringem technischem Aufwand möglich.

Insgesamt kann durch das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durch die Kombination des Autofokusverfahrens zur Bestimmung eines Näherungswertes des fokussierten Bildabstandes mit der präzisen Bestimmung von zweiten Bildern und zweiten Fokuswerten im Stillstand des optischen Sensors oder des Werkstücks an bestimmten Positionen der fokussierte Bildabstand präzise und mit geringem Zeitaufwand reproduzierbar bestimmt werden.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

[0051] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: eine schematische Ansicht eines Koordinatenmessgeräts, eine beispielhafte Ansicht eines Bildes,

Fig. 2b die Fokussierungsverhältnisse bei der Aufnahme des Bildes in Fig. 2a, Fig. 2c eine schematische Ansicht zur Erläuterung einer Fokuswertkurve,

Fig. 3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstands,

Fig. 4a eine Fokuswertkurve ermittelt auf der Grundlage eines Autofokusverfahrens, und

Fig. 4b eine Fokuswertfunktion ermittelt auf der Grundlage von schrittweise erfassten

Fokuswerten.

[0052] Fig. 1 zeigt ein Koordinatenmessgerät 10. Das Koordinatenmessgerät 10 dient zum

Vermessen eines Werkstücks 12. Hierzu weist das Koordinatenmessgerät 10 einen optischen Sensor 14 auf. In Ergänzung zu dem optischen Sensor 14 können selbstverständlich noch weitere Sensoren vorgesehen sein, beispielsweise taktile Sensoren, die jedoch in der vorliegenden schematischen Ansicht nicht dargestellt sind.

[0053] Das zu vermessende Werkstück 12 ist auf einem Tisch 16 angeordnet. In der

dargestellten Ansicht ist der Tisch in einer X- Y-Ebene eines Koordinatensystems 18 ausgerichtet. Senkrecht zu dem Tisch 16 erstreckt sich eine Z-Richtung 20. Ein Abstand zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 in der Z-Richtung 20 ist mit einem Bezugszeichen 22 gekennzeichnet. Der optische Sensor 14 und der Tisch 16 bzw. das Werkstück 12 sind relativ zueinander bewegbar. Auf diese Weise kann der Abstand 22 verändert werden. Grundsätzlich kann hierzu vorgesehen sein, dass entweder der Tisch 16 zumindest in einer Z-Richtung bewegbar ist, oder dass der optische Sensor 14, beispielsweise mittels einer geeigneten Mechanik 24, in der Z-Richtung bewegbar ist. Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass sowohl der optische Sensor 14 als auch der Tisch 16 in der Z-Richtung bewegbar sind.

[0054] Der Einfachheit halber wird in den folgenden Ausführungen angenommen, dass der Tisch

16 bzw. das Werkstück 12 fest verbleibt und der optische Sensor 14 in der Z-Richtung bewegt wird, um den Abstand 22 zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 zu verändern. Dies muss jedoch nicht zwingend so sein.

[0055] Um den Abstand 22 derart zu verändern, dass der optische Sensor 14 auf das Werkstück

12 fokussiert ist, weist das Koordinatenmessgerät 10 eine Regelungseinrichtung 26 auf. Die Regelungseinrichtung 26 ist dazu in der Lage, den optischen Sensor 14 in einem Abstand 22 relativ zu dem Werkstück 12 derart zu bewegen, dass die mittels des optischen Sensors 14 aufgenommenen Bilder eine maximale Schärfe aufweisen. Hierzu kann eine Autofokussierungsfunktion des Koordinatenmessgeräts 10 ausgelöst werden. Des Weiteren weist das Koordinatenmessgerät 10 eine Datenverarbeitungseinrichtung 28 auf, die derart eingerichtet ist, dass sie eine Anforderung von Bildern des optischen Sensors 14 und ihre Auswertung durchführt und basierend auf diesen Ergebnissen eine Position des optischen Sensors 14 ausgibt, bei der eine Fokussierung des optischen Sensors 14 auf das Werkstück 12 eingerichtet ist. Diese wird dann durch die Regelungseinrichtung 26 eingestellt. Selbstverständlich kann es sich bei der Regelungseinrichtung 26 und der Datenverarbeitungseinrichtung 28 auch um eine einzige Einheit bzw. ein einziges Element handeln, die Datenverarbeitungseinrichtung 28 und die Regelungseinrichtung 26 sind lediglich zu Erläuterungszwecken als getrennte Einheiten dargestellt.

[0056] Darüber hinaus kann das Koordinatenmessgerät 10 ein Eingabegerät 30 aufweisen. Mit diesem kann ein Nutzer beispielsweise gewünschte Suchbereiche in das Koordinatenmessgerät 10 eingeben oder aber den optischen Sensor 14 manuell bewegen und so auch manuell einen Abstand 22 zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 einstellen.

[0057] Zu Beginn eines Verfahrens kann vorgesehen sein, dass ein Nutzer den optischen Sensor

14 etwa in die Nähe eines erwarteten fokussierten Abstands 32 einstellt. Ausgehend von diesem erwarteten fokussierten Abstand werden ein Startabstand 34 und ein Endabstand 36 festgelegt, die zwischen sich einen Suchbereich 38 definieren. In dem vorliegenden Beispiel weist der Startabstand 34 einen größeren Abstand 22 von dem Werkstück 12 als der Endabstand 36 auf. Selbstverständlich kann dieses auch umgekehrt gewählt sein. Alternativ kann des Weiteren vorgesehen sein, dass, falls keine Nutzereingabe zu Beginn erfolgen soll, der Startabstand 34 in einem maximal möglichen Abstand 22 zwischen optischem Sensor 14 und Werkstück 12 festgelegt wird und der Endabstand 36 in einem minimal möglichen Abstand 22 zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 festgelegt wird.

[0058] Fig. 2a zeigt ein Beispiel für ein während eines Fokussierungsvorgangs durch den

optischen Sensor 14 aufgenommenes Bild.

[0059] In der Fig. 2b sind die Aufnahmeverhältnisse während des Aufnehmens des in Fig. 2a dargestellten Bildes aufgezeigt.

[0060] In der dargestellten Ausführungsform kann beispielsweise vorgesehen sein, dass als ein

Fokuswert ein Hell-Dunkel-Übergang über eine Kante 40 herangezogen wird, die in dem Bildabstand des Werkstücks 12 sichtbar ist. Entsprechend wird eine sog. "Area Of Interest (AOI)" 42 in dem Bild festgelegt, die die Kante 40 aufweist und im Folgenden ausgewertet wird. In dem dargestellten Beispiel verläuft die Kante 40 horizontal durch das Bild. Entsprechend kann beispielsweise ein Graustufengradient in vertikaler Richtung, d.h. senkrecht zu der Kante 40, innerhalb der AOI 42 zur Bildung des Fokuswerts herangezogen werden. Der optische Sensor 14 ist während der Aufnahme in einem bestimmten Abstand 22 zu dem Werkstück 12 eingestellt. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass eine dem optischen Sensor 14 zugewandte Oberfläche des Werkstücks 12 untersucht werden soll. Der optische Sensor 14 weist ein optisches System 44 auf, das für eine optimale Fokus- sierung derart eingerichtet und angeordnet sein muss, dass eine Spitze 46 eines Fokuskegels auf der zu betrachtenden Oberfläche des Werkstücks 12 angeordnet wird. Im vorliegenden Beispiel liegt der Fokuskegel leicht innerhalb des Werkstücks 12, d.h. der Abstand 22 ist etwas zu klein. Entsprechend ist das in der Fig. 2a dargestellte Bild leicht unscharf, d.h. ein Hell-Dunkel-Übergang über die Kante 40 weist einen relativ flachen Gradienten auf. Im Falle einer maximalen Schärfe würde sich der Fokuskegel 46 auf dem Werkstück 12 befinden. Der Hell-Dunkel-Übergang würde dann innerhalb der AOI 42 abrupter und der Gradient entsprechend höher, so dass ein höherer Fokuswert entstehen würde. Entsprechend ist in der folgenden Erläuterung der Fokuswert im dargestellten Beispiel derart gewählt, dass ein größerer Fokuswert eine bessere Fokussierung wiedergibt, ein maximaler Fokuswert also eine maximale Schärfe und damit eine optimale Fokussierung des optischen Sensors 14 auf das Werkstück 12 wiedergibt. Selbstver- ständlich können auch alle anderen bekannten Fokuswerte allein oder in Kombinationen verwendet werden, zusätzlich kann es auch möglich sein, dass sich für einen minimalen Fokuswert eine maximale Schärfe bzw. optimale Fokussierung ergibt.

[0061] In der Fig. 2c ist schematisch dargestellt, wie sich aus einem aufgenommenen Bildstapel eine Fokuswertkurve ergibt.

[0062] Bei dem Durchfahren des Suchbereichs 38 von dem Startabstand 34 in Richtung des

Endabstands 36 in negative Z-Richtung 20 werden Bilder 48 aufgenommen. Die Anzahl der Bilder kann variieren. Sie ist unter anderem abhängig von den verwendeten Komponenten, insbesondere der Kamera, von der Größe des Suchbereichs und der Geschwindigkeit bei dem Durchfahren des Suchbereichs. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass ein Mindestwert für die Anzahl der aufzunehmenden Bilder vorgegeben wird. Beispielsweise kann als Mindestwert eine Anzahl von 25 vorgegeben werden. Bei einem zu durchfahrenden Suchbereich mit einer Größe von beispielsweise 1 mm kann dann die Anzahl der aufgenommenen Bilder bei einer Geschwindigkeit von etwa 0,9 mm pro Sekunde in einem Bereich von 25 bis 30 Bildern liegen. Bei einer Geschwindigkeit von 0,3 mm pro Sekunde kann die Anzahl der aufgenommenen Bilder beispielsweise in einem Bereich von 25 bis 100 Bildern liegen.

[0063] Auf diese Weise wird ein Bildstapel aus mehreren Bildern 48 erzeugt. Jedem Bild 48 ist ein Bildabstand 50 zugeordnet. Der Bildabstand 50 ist ein Wert, der die Lage der Fokusebene relativ zu dem Werkstück, in dem das jeweilige Bild aufgenommen wird, repräsentiert.

[0064] Für jedes Bild 48 wird dabei ein Fokuswert 52 ermittelt. Aus den Bildabständen 50 und den jeweiligen Fokuswerten 52 ergibt sich somit eine Punkteschar, die, wenn die Fokuswerte 52 verbunden werden, eine Fokuswertkurve 54 ergeben. Die Fokuswertkurve 54 erstreckt sich somit dann über den gesamten abgefahrenen Suchbereich 38. Die Fokuswertkurve 54 weist einen Extremwert 56 auf. Der diesem Extremwert 56 zugehörige Extremwertabstand 58 ist folglich derjenige Abstand, der gemäß der Auswertung die bestmögliche Fokussierung des optischen Sensors 14 auf das Werkstück 12 mit der

maximalen Schärfe des dann aufgenommenen Bildes 48 anzeigt.

Des Weiteren ist in der Fig. 2c eine Entfernung 59 zwischen dem Startabstand 34 und dem Endabstand 36 aufgetragen. Die Entfernung 59 unterteilt sich in zwei gleich lange Abschnitte 59; ausgehend von dem von einem Nutzer zunächst eingestellten erwarteten fokussierten Abstand 32 werden der Startabstand 34 und der Endabstand 36 derart bestimmt, dass sie sich entgegengesetzt zueinander ausgehend von dem erwarteten fokussierten Abstand 32 jeweils in der Entfernung 59' erstrecken. In dem dargestellten Beispiel ist der Startabstand 34 weiter von dem Werkstück entfernt als der Endabstand 36. Dies kann aber selbstverständlich auch umgekehrt gewählt sein.

[0066] Fig. 3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln eines fokussierten Bildabstandes, das allgemein mit 100 bezeichnet ist.

Nach Beginn des Verfahrens wird zunächst in Schritt 102 der Fangbereich 38 mit dem Startabstand 34 und dem Endabstand 36 festgelegt.

Danach wird in Schritt 104 der Fangbereich 38 als Messbereich, beispielsweise durch Verfahren des optischen Sensors 14 oder des Werkstücks 12 durchfahren, und es werden entsprechend erste Bilder erfasst und jedem der Bilder ein erster Fokuswert und ein erster Bildabstand zugeordnet. Die Bilderfassung erfolgt vorzugsweise entsprechend eines Triggersignals, worauf die aktuelle Position des optischen Sensors 14 oder des Werkstücks 12 ausgelesen und gespeichert wird. Das Durchfahren des Fangbereichs 38 bzw. des Messbereichs kann dabei als schnelle kontinuierliche gleichförmige Bewegung ausgeführt werden.

[0069] Die Fokuswerte 52 in Abhängigkeit des Abstandes 22 zwischen dem Werkstück 12 und dem optischen Sensor 14 ergeben eine Punkteschar, die eine Fokuswertkurve 54 wiedergibt, die in Fig. 4a gezeigt ist und im Folgenden näher erläutert ist. Im folgenden Schritt 106 werden die Fokuswerte 52 ausgewertet und eine Mehrzahl von Messpositionen in Form von unterschiedlichen Abständen 22 zwischen dem Werkstück 12 und dem optischen Sensor 14 als Stützpunkte für eine folgende Fokusmessung bestimmt. Die Messpositionen sind dabei in einem zweiten Fangbereich um einen Extremwert der Fokuswertkurve 54 definiert, wobei der zweite Fangbereich kleiner ist als der erste Fangbereich 38. Die Anzahl der Messpositionen als Stützpunkte ist größer oder gleich 3.

Ein Maximalwert der Fokuswerte 52 kann als vorläufiger fokussierter Bildabstand bestimmt werden und direkt die Grundlage für die Bestimmung der Stützpunkte bilden oder die Fokuswertkurve 54 kann mittels eines Näherungs- oder Interpolationsverfahrens angepasst werden und der Extremwert der so angepassten Fokuswertkurve 54 kann die Grundlage für die Bestimmung der Stützpunkte bilden.

In Schritt 108 wird eine Messposition der Stützpunkte durch bewegen oder verfahren des optischen Sensors 14 oder des Werkstücks 12 angefahren und der bewegliche optische Sensor 14 oder das bewegliche Werkstück 12 zum Stillstand gebracht. Anschließend wird im Stillstand des optischen Sensors 14 und des Werkstücks 12 ein zweites Bild erfasst und entsprechend ein zweiter Fokuswert für den so eingestellten Bildabstand 22 bestimmt.

In Schritt 1 10 wird abgefragt, ob alle Stützpunkte, die in Schritt 106 bestimmt wurden, angefahren worden sind und entsprechend Bilder erfasst wurden. Sofern nicht alle Stützpunkte angefahren worden sind, wird Schritt 108 wiederholt und der entsprechend nächste Stützpunkt angefahren und nach Stillstand des optischen Sensors 14 oder des Werkstücks 12 ein Bild erfasst.

Wenn alle Stützpunkte angefahren sind und die entsprechenden Fokuswerte für die erfassten Bilder bestimmt sind, wird bei Schritt 1 12 eine Fokuswertfunktion bestimmt, und zwar mittels eines Interpolationsverfahrens. In Fig. 4b sind die so an den Stützpunkten ermittelten Fokuswerte in Abhängigkeit des Abstandes 22 dargestellt. Die ermittelten Fokuswerte sind allgemein mit 120 bezeichnet und die aus den Fokuswerten 120 ermittel- te Fokuswertfunktion ist allgemeine mit 122 bezeichnet. Die Stützpositionen bzw. den Messpositionen an denen die Fokuswerte 120 erfasst werden sind in einem zweiten Fangbereich 124 definiert sind und entsprechend um einen Extremwert der Fokuswertkurve 54 angeordnet. Der zweite Fangbereich 124 kann in einem vordefinierten Abstand um das Maximum der Fokuswerte 52 oder um den Extremwert der Fokuswertkurve 54 herum definiert werden, beispielsweise in einem Bereich von ± 3mm um den Extremwert oder den Maximalwert. Alternativ kann der zweite Fangbereich 124 in einem Konfidenzbereich der Fokuswerte 52 oder der Fokuswertkurve 54 um das Maximum der Fokuswerte 52 oder um den Extremwert der Fokuswertkurve 54 herum definiert werden. Die Fokuswertfunktion 122 kann mittels einer Polynominterpolation zweiter, dritter oder höherer Ordnung bestimmt werden.

In Schritt 1 14 wird ein Extremwert 124 der Fokuswertfunktion 122 bestimmt, wie es auch in Fig. 4b gezeigt ist. Der Extremwert 124 der Fokuswertfunktion 122 entspricht dem zu bestimmenden endgültigen fokussierten Bildabstand des optischen Sensors 14 zu dem Werkstück 12.

Durch das zweistufige Verfahren mit einer Messung der Fokuswerte 52 während des Veränderns des Abstands zwischen dem optischen Sensor 14 und dem Werkstück 12 und dem nachfolgenden Schritt, bei dem die Stützpositionen 120 einzeln angefahren werden und bei einem Stillstand des optischen Sensors 14 und des Werkstücks 12 die Fokuswerte 120 erfasst werden, kann auf der Grundlage der so präzise bestimmten Fokuswerte 120 der endgültige fokussierte Bildabstand reproduzierbar ermittelt werden. Dadurch kann insbesondere die Tiefenschärfe verbessert werden.