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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung und Kompensation von Messabweichungen während des Betriebes einer optischen Messvorrichtung, ein optisches Messverfahren und eine optische Messvorrichtung zum Messen von geometrischen Merkmalen eines Messobjektes.
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Für die Messung geometrischer Größen mit einem Bildverarbeitungsverfahren müssen die Verhältnisse zwischen dem Objektraum und den Ortskoordinaten des digitalen Bildes bekannt sein.
In dem idealisierten Fall von einer Objektebene hin zu der optimalen Abtastung einer fehlerfreien Bildebene, würde diese Beziehung nur durch einen Faktor ausgedrückt werden können, dem Abbildungsmaßstab β. In der Realität gibt es aber Abbildungsfehler und Abtastfehler. Außerdem ist zu beachten, dass der abgebildete Teil des Objektraums keine Ebene ist. Die für die Messung geometrischer Größen wichtigsten Einflüsse sind die Verzeichnung des Objektivs und die perspektivische Verzerrung durch Abweichungen von der Objektebene. Die Folge beider Einflüsse ist, dass der Abbildungsmaßstab β lokal unterschiedlich ist und sich in Abhängigkeit von der Position im Bild ändert. Er ist für eine konstante Objektszene abhängig von den Ortskoordinaten des Bildes β(c,r), wobei mit der Größe r die Anzahl der Reihen (in Pixel) und mit der Größe c die Anzahl der Spalten (in Pixel) in einem Bild definiert werden. In der Praxis wird dieses Problem gelöst, indem die Ortsabhängigkeit des Abbildungsmaßstabs (Verzeichnung) an diskreten Positionen gemessen wird. Mit lokal stetigen Funktionen wird β für den Objektraum interpoliert / approximiert. Da es sich bei dem digitalen Bild um eine 2D-Projektion des 3D-Objektraums handelt, wird bei einigen Verfahren die Kalibrierung dadurch erweitert, dass die Ortsabhängigkeit des Abbildungsmaßstabs in mehreren 2D-Ebenen mit bekannter z-Koordinate gemessen wird. Ein beliebiger Punkt des digitalen Bildes lässt sich später mit den Korrekturfunktionen zu einem Objektpunkt zurück transformieren. Unter Umständen werden neben dem digitalen Bild weitere Sensor- oder Apriori-Informationen hinzugezogen. Die Korrekturfunktionen für die Verzeichnungskorrektur sind jedoch im normalen Messbetrieb eines Gerätes statisch und werden nur bei speziellen Kalibrier-Routinen vom Messgerät überprüft, bzw. verändert.
Nachteilig bei diesem Vorgehen ist, dass jede nicht erfasste Änderung im Funktionskreis des Messsystems (z.B. durch thermische oder mechanische Einflüsse) direkt zu Fehlern bei der Koordinatentransformation führt. Die Erfassung des ortsabhängigen Abbildungsmaßstabes erfolgt nur an wenigen diskreten Punkten des Objektraums. Differenzen zwischen approximierten Werten und tatsächlichen Werten gehen direkt als Messfehler ein. Dieser Fehler wird größer, je weiter ein Messpunkt von dem nächsten Kalibrierpunkt entfernt ist. Ein gröberes Kalibrierpunktraster führt deshalb im Mittel zu größeren Messfehlern.
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In der Folge werden Kalibrierverfahren, die nicht zeitgleich mit dem Messbetrieb eines Messgeräts durchgeführt werden, als „statische Kalibrierung“ bezeichnet.
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Die meisten Kalibierverfahren für Kameras basieren auf einer Modellbildung über den Zusammenhang zwischen Bildebene und Objektraum. Diese Modelle sind unterschiedlich komplex und berücksichtigen die Einzelelemente des Gesamtsystems unterschiedlich stark. So z.B. wird in dem Verfahren nach Z. Zhang: A flexible new technique for camera calibration. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 22(11):1330-1334, 2000 ein bekanntes 2D-Muster in vielen Ansichten beobachtet und daraus ein parametriertes Modell errechnet, welches den Zusammenhang zwischen den Objektpunkten und Bildpunkten beschreibt. Daneben ist aus C. Schmalz, F. Forster, E. Angelopoulou: Camera calibration: active versus passive targets. In: Optical Engineering 50 (11), 2011, 113601-1 bis 113601-10 bekannt, dass zur Darstellung der Kalibriermuster veränderbare Anzeigeeinrichtungen verwendet werden, um ein statisches Kalibriermodell aufzubauen. Jedoch werden hierbei keine adaptiven Kalibriermarken verwendet, die an die jeweilige Aufnahmeszene angepasst werden und auch das Messobjekt selbst berücksichtigen.
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Aus dem Stand der Technik sind weitere Verfahren bekannt, die diese Modelle während des Messvorgangs überwachen. So wird in der
DE 10 2007 030 378 A1 ein Verfahren zur Kalibrierung der Lage eines Kamerasystems im Raum (x, y, z) beschrieben, bei dem sich ein Hauptkalibrierkörper an bekannter und fixierter Position im Raum befinden muss. Mit diesem Verfahren soll die Lage der Kamera in einem Raum bestimmt werden, jedoch nicht die Relation zwischen Objekt- und Bildraum - der Maßanschluss - überwacht werden. Das als Hauptkalibrierkörper dienende Display wird nicht direkt beobachtet, sondern eine Abbildung davon (das Spiegelbild des Displays). Abweichungen durch unbekannte Formabweichungen des abbildenden Systems gehen deshalb zusätzlich direkt als Fehler ein.
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Mit der
WO 02/39055 A1 ein Messverfahren für ein optoelektronisches Messsystem zur Messung geometrischer Größen vorgestellt, bei dem sich die Kalibriermarken ständig im Blickfeld der Kamera befinden. Sie sind in den Strahlengang integriert, können jedoch nicht verändert werden. Die Marken befinden sich in einer deutlich von der Objektebene abweichenden Position entlang der optischen Achse (z). Das ist nachteilig für die Kalibrierung, da die Abbildungseigenschaften der Objekt- und der Kalibriermarkenebene nicht identisch sind und ein großer Abstand zwischen den beiden Ebenen zu Fehlern führt. Des Weiteren wird der Träger der Marken, im einfachsten Fall eine planparallele Glasplatte, zu einem Element im Strahlengang. Formfehler der Planparallelität wirken sich auf die Kalibriermarken kaum aus (Abstand Δz = 0), auf die Abbildung des Objektes jedoch deutlich (Abstand Δz > 0). Jeder Formfehler des Trägers geht also ebenfalls als Kalibrierfehler ein.
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Schließlich wird in der
US 2003/0085890 A1 ein Verfahren und eine Anordnung beschrieben, bei denen Displays, bestehend aus festen Rastern von steuerbaren Pixeln dazu genutzt werden, Kalibriermuster bzw. Kalibriermarken anzuzeigen. Jedoch werden die Kalibriermuster hier nicht dazu genutzt, das Messsystem, also die Anordnung zur Messung der Geometriedaten des Messobjektes, zu kalibrieren, sondern dazu, verschiedene relative Lagen zwischen mehreren Kamerapositionen zu bestimmen um die Messdaten der jeweiligen Positionen zueinander zu registrieren. Eine Verzeichnung des Objektivs beispielsweise, bleibt dabei unberücksichtigt. Außerdem sind die Kalibriermuster die angezeigt werden, vorbestimmt (predetermined) und werden nicht der aktuell erfassten Objektszene angepasst. Somit können sie auch nicht für das jeweilige Messobjekt optimiert werden.
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Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens zur Erkennung und Kompensation von Messabweichungen während des Betriebes einer optischen Messvorrichtung, mit dem ein statisches Kalibrier-Modell jederzeit vollautomatisch neu eingelernt und während des Messvorgangs mit hoher Genauigkeit überwacht und verfeinert werden kann, eines dieses Kalibrierungsverfahren nutzenden optischen Messverfahrens sowie einer optischen Messvorrichtung zur robusteren, genaueren und kostengünstigeren Messung von geometrischen Merkmalen eines Messobjektes zugrunde.
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Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Erkennung und Kompensation von Messabweichungen während des Betriebes einer optischen Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eines optischen Messverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie einer optischen Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
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Erfindungsgemäß wird zur Kalibrierung einer optischen Messvorrichtung eine Maßverkörperung verwendet, deren Erscheinung veränderbar und steuerbar ist, deren Struktur (Raster) aber bekannt und konstant ist und auch während der Messung im Objektraum verbleibt. Dadurch können auch dynamische Änderungen erfasst und korrigiert werden.
Das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren kann vor, zwischen und nach Messungen durchgeführt werden. Mit Hilfe der gewonnen Kalibrierdaten können sowohl Bilddaten verändert (Verzeichniskorrektur), Koordinatenpunkte übersetzt (Koordinatentransformation) als auch geometrische Beziehungen zwischen mehreren Erfassungseinrichtungen hergestellt werden (Epipolargeometrie).
Dass im Folgenden vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren ist im Gegensatz zum Stand der Technik adaptiv, das Messobjekt und die Objektszene werden bei der Erzeugung der Kalibriermarken berücksichtigt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung als statisches Kalibrierverfahren wird ein veränderbares Kalibriermuster auf einem festen (bekannten) Raster dargestellt. Es wird nicht nur ein Muster von Stützpunkten verwendet, sondern eine Serie von verschieden Mustern. Ziel ist es, die für die Approximation der Verzeichnungsfunktion nötigen Punkte, mit einem deutlich feineren Raster zur Verfügung zu stellen. Die Auflösung dieses Rasters kann dabei feiner werden, als die projizierte Auflösung der Sensormatrix, (in der Folge „Kalibrierung mit erhöhter Auflösung“ genannt)
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verbleibt während der Messung ständig eine veränderbare Maßverkörperung mit festem Raster im Objektraum. Es werden verschiedene Kalibriermarken auf den veränderbaren Maßverkörperungen dargestellt. Die Positionen, Formen, Farben und Größen der Kalibriermarken auf dieser Maßverkörperung werden jeweils an die Position und Größe des Messobjektes und der aktuellen Messmethode angepasst. Damit werden die Abstände zwischen bekannter Kalibriermarke und unbekanntem Objektpunkt minimiert. Die Position, Größe, Farbe, und Struktur der Kalibriermarken kann auf Basis von weiteren Informationen optimiert werden. Dazu gehören Apriori-Informationen über Bauteilspezifikationen z.B. auf Basis von Benutzereingaben oder CAD-Daten, oder Informationen, die über Sensoren des Messgerätes selbst erfasst werden wie spektrale Reflektions-/Transmissions-Eigenschaften. (in der Folge „dynamische Kalibrierung“ genannt). Die Informationen, die aus den Kalibriermarken gewonnen werden, können direkt mit der statischen Kalibrierung verglichen werden. Unterschiede fließen in die Berechnung der Koordinatentransformation ein. Zudem können Differenzen (ggf. über die Zeit) verwendet werden, um die Gültigkeit der statischen Kalibrierung zu überprüfen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigt:
- 1 ein Flussdiagramm eines optischen Messverfahrens, mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kalibrierung einer optischen Messvorrichtung
- 2 eine schematische Darstellung einer mit dem Verfahren von 1 kalibrierbaren optischen Messvorrichtung
- 3 ein Kamerabild bei einer dynamischen Kalibrierung
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1 zeigt im Flussdiagramm den Ablauf eines optischen Messverfahrens mit einem erfindungsgemäßen Verfahrens zur vollautomatischen Kalibrierung einer optischen Messvorrichtung, wie sie schematisch in 2 dargestellt ist.
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Die in 2 gezeigte optische Messvorrichtung dient der berührungslosen Messung geometrischer Merkmale eines Messobjektes (4). Sie umfasst eine Erfassungseinrichtung (1), zum berührungslosen Erfassen zwei- oder dreidimensionaler Daten des Messobjektes (4), eine Anzeigeeinrichtung (2), die aus einem festen Raster steuerbarer Elemente besteht und als Maßverkörperung dienende Muster erzeugt, sowie eine Auswerte- und Steuereinrichtung (3). Erfindungsgemäß ist das Messobjekt (4) in der Nähe der Anzeigeeinrichtung (2), vorzugsweise direkt auf der Anzeigeeinrichtung, positioniert, wobei zumindest ein Teil der Anzeigeeinrichtung (2) und ein Teil des Messobjekts (4) für die Erfassungseinrichtung (1) sichtbar ist.
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Zu Beginn des Verfahrens wird entschieden, ob eine statische Kalibrierung durchgeführt werden soll. Das kann beispielsweise durch einen Benutzerbefehl oder auf Basis des vorhergehenden Gerätezustands entschieden werden. Falls keine Kalibrierung erfolgen soll, werden statische Kalibrierdaten geladen, bzw. stehen bereits zur Verfügung. Falls eine Kalibrierung durchgeführt werden soll, wird eine statische Kalibrierung durchgeführt. Das könnte beispielsweise eine erfindungsgemäße statische Kalibrierung mit erhöhter Auflösung sein. Für die statische Kalibrierung ist es vorteilhaft, wenn sich das Messobjekt nicht im Sichtfeld der Erfassungseinrichtung (1) befindet und ein großer Teil des Sichtfeldes von der Anzeigeeinrichtung (2) eingenommen wird.
In der Folge wird das Messobjekt (4) in das Sichtfeld der Erfassungseinrichtung (1) gebracht. Vorteilhaft ist eine Position des Messobjekts dicht an der Anzeigeeinrichtung (2) und mittig im Sichtfeld der Erfassungseinrichtung (1), beispielsweise direkt auf der Anzeigeeinrichtung (2). Die Darstellung der Anzeigeeinrichtung (2) wird von der Auswerte- und Steuereinrichtung (3) so gesteuert, dass sie möglichst gute Kontraste zur Erkennung des Messobjektes bietet. Vorteilhaft ist beispielsweise eine gleichmäße weiße Ausleuchtung.
Im Anschluss wird mindestens ein Bild der Objektszene von der Erfassungseinrichtung (1) erfasst und an die Auswerte- und Steuereinrichtung (3) übertragen. In dem Bild werden Objektpunkte des Messobjektes (4) gefunden und deren Position im Koordinatensystem (KS1) der Erfassungseinrichtung (1) ermittelt. Von Interesse sind dabei besonders die Konturpunkte, die die Grenze zwischen der freien und blockierten Sicht auf die Anzeigeeinrichtung (2) markieren. Objektpunkte die für folgende Messaufgaben von Interesse sind, können ebenfalls erfasst werden. Aus den statischen Kalibrierdaten und den Konturpunkten kann berechnet werden, welche Teile der Anzeigeeinrichtung unverdeckt sind. Gegebenenfalls können auch vorläufige Messergebnisse aus groben, unkorrigierten Punkten an Merkmalen des Messobjekts (4) berechnet werden.
Außerdem wird in der Auswerte- und Steuereinrichtung (3) berechnet, an welchen Positionen vorteilhaft dynamische Kalibriermarken angezeigt werden können und welche Größe, Form, Farbe und Anzahl sinnvoll ist. Vordefinierte Punkte an diesen Marken können beispielsweise Mittel- oder Kreuzungspunkte von Strukturen sein. Die Gestalt der Marken und die dazugehörigen Punkte im Koordinatensystem (KS2) der Anzeigeeinrichtung (2) sind der Auswerte- und Steuereinrichtung (3) nun bekannt.
Die dynamischen Marken werden auf der Anzeigeeinrichtung (2) zur Anzeige gebracht. Im Anschluss wird mindestens ein weiteres Bild der Objektszene von der Erfassungseinrichtung (1) erfasst und an die Auswerte- und Steuereinrichtung (3) übertragen. In dem Bild werden die Punkte der dynamischen Marken gefunden und deren Position im Koordinatensystem (KS1) der Erfassungseinrichtung (1) ermittelt. Dies kann mit sehr hoher Genauigkeit erfolgen, da ihre Gestalt und Position im Bild sehr gut vorhergesagt werden können.
Gegebenenfalls werden die Koordinaten der Punkte von Interesse am Messobjekt (4) in KS1 mitbestimmt.
Die Punkte an den dynamischen Kalibriermarken werden mittels der statischen Kalibrierdaten von KS1 nach KS2 transformiert. Damit existieren nun zwei Sätze von Koordinaten für jeden Punkt an den dynamischen Kalibriermarken. Unterschiede sind ein Maß für die Diskrepanz zwischen dem statisch kalibrierten Modell der Messvorrichtung und seinem tatsächlichen aktuellen Zustand.
In der Auswerte- und Steuereinrichtung (3) werden die zwei Sätze der Koordinaten der Punkte der dynamischen Marken in KS2 verglichen. Bei größeren als den vorbestimmten zulässigen Abweichungen, werden die statische Kalibrierung und bisher erfasste Messobjektpunkte für ungültig erklärt. Für den Fall der Überschreitung der zulässigen Abweichungen liegen grobe Fehler bei der Messung oder Kalibrierung vor. Diese sind entweder auf Bedienfehler beim Einlegen des Messobjektes oder Defekte oder Verschmutzung der Messvorrichtung zurückzuführen. Der Bediener wird instruiert das Messobjekt zu entfernen, das Gerät auf Defekte und Verschmutzung zu prüfen und der Betriebszustand des Gerätes wird zur Abfrage nach der statischen Kalibrierung zurückgesetzt und ein erneuter Ablauf beginnt. Diese Schleife kann mehrfach durchlaufen werden, und kann bei Bedarf nach einer zu großen Anzahl von Durchläufen oder zu häufigem Auftreten abgebrochen werden. Die Messvorrichtung könnte dann als „defekt“ deklariert werden.
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Sind die Abweichungen unter den zulässigen Werten, werden die Koordinatenpaare der dynamischen Marken (KS1 und KS2) genutzt um die dynamischen Kalibrierdaten zu berechnen. Gegebenenfalls werden die statischen Kalibrierdaten für diese Berechnung hinzugezogen.
Falls noch keine Punkte von Interesse am Messobjekt bestimmt wurden, wird dies nun durchgeführt. Das kann entweder durch erneute Bilderfassung, oder durch Auswertung gespeicherter Bilder erfolgen. Von den Punkten von Interesse werden die Koordinaten in KS1 ermittelt. Mit Hilfe der dynamischen Kalibrierdaten werden diese Punkte nach KS2 transformiert.
Diese Messobjektpunkte können in der Folge für die Berechnung von Messwerten von Merkmalen des Messobjekts genutzt werden. Dazu kann eine weitere Transformation von KS2 in das Messobjekt-Koordinatensystem (KS3) nötig sein. Und es kann nötig sein, eine Mehrzahl von Punkten zu Merkmalen zu kombinieren, Beispielsweise Längen, Abstände, Winkel, Durchmesser, u.v.m.
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Die Kalibrierung mit erhöhter Auflösung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Ein LC-Display bildet die Hintergrundbeleuchtung, die Auflagefläche und die Maßverkörperung zu gleich. Das LCD hat ein festes und bekanntes Raster. Es kann aber gesteuert werden, welche Muster es darstellt. Die Kamera(s) wird auf das LCD gerichtet. Vom Sichtfeld der Kamera(s) wird mindestens ein Teil des LCD erfasst. Auf dem LC-Display wird ein Schachbrett-Muster dargestellt. Jedes der hellen oder dunklen Felder hat ca. 50 Pixel Ausdehnung in Bildkoordinaten. Die Kantenübergänge zwischen den hellen und dunklen Feldern werden von dem Bildverarbeitungsprogramm in Bildkoordinaten bestimmt. Die Kreuzungspunkte zwischen jeweils vier Feldern werden mit erhöhter Genauigkeit berechnet (Subpixelpräzision).
Zu jedem Kreuzungspunkt des Schachbrettmusters sind somit ein Paar von Koordinaten bekannt, die Objektkoordinaten (aus den technischen Daten des LCD), und die Bildkoordinaten. Jedes Koordinatenpaar ist eine Stützstelle für die Berechnung der Kalibrierdaten. Damit ist etwa pro 50 Pixel des Bildes eine Stützstelle bekannt. Nachfolgend wird das Muster auf dem LCD in x und y Richtung jeweils in 10 Schritten verschoben. Es ergibt sich also eine Folge von weiteren 99 Positionen des Schachbrettmusters auf dem LCD, die sich alle unterscheiden. Die Kamera und das LCD bleiben dabei unbewegt. Die Kamera zeichnet für jedes Muster der Folge mindestens ein Bild auf. Es entstehen mindestens 100 digitale Bilder. In der Verarbeitungseinheit wird das Vorgehen zur Erfassung der Kreuzungspunkte in jedem der folgenden 99 Bilder analog zum ersten Bild wiederholt. Das Ergebnis ist, dass die Abstände der Stützstellen auf 1/10 reduziert werden. Im Bild ergibt sich auf etwa je 5 Pixel eine Stützstelle. Gleichzeitig steigt die Anzahl der Stützstellen um Faktor 100. Werden alle Stützstellen gemeinsam genutzt, den Zusammenhang zwischen Objektraum und digitalen Bild zu berechnen und durch geeignete mathematische Funktionen zu beschreiben, ist das Ergebnis die Kalibrierdaten für das System.
Wie fein das Raster des Schachbrettmusters gewählt, und in welchen Schritten es bewegt wird, ist von den Eigenschaften des LCD, des optisches Systems und des Sensors sowie der bei der Anwendung gewünschten Genauigkeit abhängig.
Neben der Möglichkeit hell-dunkel-Muster zu erzeugen, können auch farbige Muster erzeugt werden. Farbige Displays haben drei oder mehr Subpixel mit den Primärvalenzen. Ein Farbwechsel des Musters würde die Möglichkeit eröffnen, Subpixel-Verschiebungen (LCD) des Musters zu realisieren. Dies kann z.B. bei nicht transparenten Objekten genutzt werden.
Bei transparenten Objekten kann die Farbe des Displays jeweils so gewählt werden, dass die maximale Messgenauigkeit bei minimalem Messfehler zu erwarten ist.
Die Farbe bzw. die Transparenz des Objektes können mit einem Sensor erkannt und bei der Messung berücksichtigt werden.
Durch die Steuerbarkeit der kombinierten Beleuchtung und der Maßverkörperung ist es möglich, störendes Fremdlicht (z.B. Punktlichtquellen), zu starkes Umgebungslicht oder Verschleiß (z.B. Kratzer) auf der Displayoberfläche vor und nach der Messung zu erkennen. Damit bestehen z.B. die Möglichkeiten den Betrieb mit verminderter Qualität weiter zu führen und Warnungen zu melden, die Messung zu unterbrechen, Hinweise auf Fehlerquellen zu melden und zu kontrollieren, ob die Fehlerquelle beseitigt wurde.
Mit dem zusätzlichen Einsatz eines IR-Sensors können Temperaturen bzw. die Temperaturverteilung auf dem Objekt bestimmt und damit Temperaturkorrekturen ermöglicht werden. Je größer der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient (z.B. bei Kunststoffteilen) desto wichtiger wird bei der Messung die exakte Temperatur des Objektes und der Maßverkörperung zu kennen.
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Außerdem kann die Z-Achse zusätzlich verfahren werden, um in verschiedenen Z-Ebenen das Kalibrierverfahren zu wiederholen. Damit entstehen Kalibrierdaten die besser der dreidimensionalen Struktur des Objektraums gerecht werden und so besser für höhenausgedehnte Messobjekte geeignet sind.
Weiterhin kann eine kanalabhänge Variante des Kalibrierverfahrens durchgeführt werden. Bei Kameras mit mehreren Spektralkanälen werden nicht dieselben Kalibrierdaten für alle Kanäle verwendet. Stattdessen werden die Primärvalenzen des Displays jeweils für die Spektralkanäle des Sensors genutzt, die die beste spektrale Übereinstimmung haben. (Bei einem RGB-Sensor wird die Kalibrierung für den grünen Kanal vorzugsweise mit Mustern der grünen Subpixel des Displays durchgeführt.) Dieses Vorgehen ist vorteilhaft, da die Abbildungseigenschaften von optischen Systemen wellenlängenabhängig sind.
Mit der Kalibrierung mit erhöhter Auflösung ist auch eine permanente Überwachung der Hardware des Messsystems möglich. Es können alle Veränderungen an den möglichen 6 Freiheitsgraden zwischen dem Sensor und dem Objekt erkannt werden.
Bei der Anzeigeeinrichtung, die die Kalibriermuster darstellt, muss es sich um ein Gerät handeln dessen geometrische Fehler der Anzeige deutlich geringer sind, als die gewünschte Genauigkeit bei der Kalibrierung. Geräte mir sehr geringen Toleranzen bei der Geometrie sind Anzeigeeinrichtungen der „flat panel technologies - FPT“. Dazu gehören beispielsweise LCD, OLED, LED, ELD, MEMS, Plasma, FED, elektrophoretische Display und viele mehr. Neben Flat-Panel-Anzeigen eigenen sich aber auch hoch genaue projizierte oder holografische Anzeigen. Die Überwachung von Veränderungen der Anzeigeeinrichtung während des Betriebs (bspw. thermische Ausdehnung) durch zusätzliche Sensoren, kann die Genauigkeit weiter erhöhen.
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Wenn ein Objekt vermessen wird, erkennt das Bildverarbeitungssystem welche Bereiche des LCD durch das Objekt verdeckt werden, und welche Bereiche weiterhin sichtbar sind. Bei der dynamischen Kalibrierung werden adaptiv Kalibriermarken auf dem LCD in unverdeckten Bereichen angezeigt. Mittels Bildverarbeitungsprogramm werden aus den Kalibriermarken repräsentative Punkte in Bildkoordinaten gewonnen. Diese Bildkoordinaten können nun einerseits mit den zuvor abgelegten statischen Kalibrierdaten in Objektkoordinaten zurückgerechnet werden, anderseits gibt es bereits konkrete Soll-Objektkoordinaten dafür. Die Differenzen aus beiden Werten dienen der Beurteilung und/oder Verbesserung der statischen Kalibrierung. Hierzu ist es denkbar, dass Kalibriermarken, die weiter entfernt von dem Objekt sind, relativ groß sein können und verwendet werden, um die Gültigkeit der statischen Kalibrierung zu überwachen. Kalibriermarken, die sehr dicht an der Kontur des Messobjektes angezeigt werden, sind kleiner und werden genutzt, um dynamisch die Genauigkeit der Kalibrierung zu erhöhen und um die statische Kalibrierung zu überwachen (s. 3).
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Zu dem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren sind verschiedene Variationen denkbar. So kann z.B. die Z-Achse in verschiedenen Z-Ebenen verfahren und Daten über das Messobjekt und die Maßverkörperung erfasst werden. Es entstehen Messdaten für einen 3D-Objektraum. Die Gültigkeit der statischen 3D-Kalibrierung wird dabei überwacht.
Bei der Verwendung mehrerer Kameras, die aus unterschiedlichen Blickwinkeln das Display beobachten, können mit Hilfe gemeinsamer bekannter Punkte auf dem LCD und gemeinsamer unbekannter Punkte auf dem Objekt räumliche Informationen über das Objekt erzeugt werden. Die Korrespondenz zwischen Punkten in mehreren Kamerabildern herzustellen wird mit dem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren vereinfacht, weil die Formen, Farben und Größen der virtuellen Kalibriermarken bekannt sind. Im einfachsten Fall sind es zwei Kameras, dann handelt es sich um ein Stereo-Kamerasystem.
Ebenso ist es denkbar, Objektive mit variabler Brennweite einzusetzen. Durch die Möglichkeit der vollautomatischen Kalibrierung, dürfen nicht nur feste und zuvor kalibrierte Zoomstufen angefahren werden, sondern es darf stufenlos „gezoomt“ werden. Es kann von der Bildverarbeitung überprüft werden, ob die Brennweite geändert wurde. Eine vollautomatische (Neu)Kalibrierung ist möglich.
Bei Verwendung von Kameras mit mehreren Spektralkanälen werden nicht dieselben Kalibriermarken für alle Kanäle verwendet. Stattdessen werden die Primärvalenzen des Displays jeweils für den Spektralkanal des Sensors genutzt, der die beste spektrale Übereinstimmung aufweisen.
Das Prinzip zur Überwachung und Verbesserung der statischen Kalibrierung kann auch durchgeführt werden, sollte sich kein Objekt im Messraum befinden, also wenn das LCD völlig unverdeckt ist.
Für den Fall, dass bei vorhandenem Messobjekt die statische Kalibrierung für ungültig erklärt wird, könnte auch nur mit der dynamischen Kalibrierung weitergearbeitet werden. Wenn es der Betriebszustand zulässt, würde die statische Kalibrierung voll- oder teilautomatisch wiederholt werden. Davon abgeleitet, wäre es ebenso möglich den Messbetrieb des Gerätes gänzlich ohne statische Kalibrierung durchzuführen. Es wird also ausschließlich die dynamische Kalibrierung genutzt.
Wenn die Auflösung des LC-Display-Rasters deutlich feiner ist als die projizierte Auflösung der Sensormatrix, dann bietet sich ein weiterer Lösungsweg für eine genaue Messung an. Die nahe am Objekt angezeigte, sehr kleine Kalibriermarke wird in kleinstmöglichen Schritten unter der Kante des Objektes durchgeführt, wobei die Position der Kalibriermarke zu jeder Zeit bekannt ist. Die Bildverarbeitungs-Kantenortsbestimmung erfasst nun die Objektkante und Kalibriermarken-Kante als dieselbe Kante. Wenn in der Bildserie mit den Verschiebungen der Kalibriermarke keine Änderung im Bild nachweisbar ist, ist das exakt die Einstellung, bei der die Kalibriermarken-Kante und die Objektkante sich überlagern. Dabei ist eine Auswertung mit Subpixel-Genauigkeit möglich. Die Messgenauigkeit ist damit nicht an die Auflösung der projizierten Sensormatrix gebunden, sondern nur an die Größe der Pixel des Displays.
Es ist möglich störendes Fremdlicht (z.B. Punktlichtquellen), zu starkes Umgebungslicht oder Verschleiß (z.B. Kratzer) auf der Displayoberfläche vor und nach der Messung zu erkennen. Damit besteht z.B. die Möglichkeit: den Betrieb mit verminderter Qualität weiter zu führen, die Messung mit einem Hinweis auf die Fehlerquelle zu unterbrechen und zu kontrollieren, ob die Fehlerquelle beseitigt wurde.
Mit dem zusätzlichen Einsatz eines MIR-Sensors ist die Temperatur bzw. die Temperaturverteilung auf dem Objekt zu bestimmen und damit Korrekturen zu ermöglichen. Je größer der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient (z.B. bei Kunststoffteilen) desto wichtiger ist bei der Messung die exakte Temperatur des Objektes zu ermitteln.
