DE102022117726A1 - Koordinatenmessgerät, Verfahren und Computerprogrammprodukt - Google Patents

Koordinatenmessgerät, Verfahren und Computerprogrammprodukt Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät (10) zum Vermessen eines Messobjekts (30), wobei das Koordinatenmessgerät (10) aufweist: eine Werkstückaufnahme (12) zur Aufnahme des Messobjekts (30); einen Messkopf (16), der relativ zu der Werkstückaufnahme (12) bewegbar ist und einen optischen Sensor (18) trägt, wobei der optische Sensor einen lichtempfindlichen Detektor (34) und ein optisches System (36) aufweist, wobei das optische System (36) einen Abbildungsbereich des Messobjekts (30) auf den lichtempfindlichen Detektor (34) abbildet, wobei der lichtempfindliche Detektor (34) dazu eingerichtet ist, ein oder mehrere Bilder des Messobjekts (30) aufzunehmen, wobei das optisches System (36) einen Strahlengang (38) von dem Messobjekt (30) zu dem lichtempfindlichen Detektor (34) definiert; und eine Steuereinrichtung (22), die dazu eingerichtet ist, die Bewegung des Messkopfes (16) relativ zu der Werkstückaufnahme (12) zu steuern und die Bildaufnahme der ein oder mehrere Bilder zu steuern, während sich der Messkopf (16) bewegt, wobei ein Stellelement des optischen Sensors (34), das in dem Strahlengang (38) angeordnet ist, gegenüber dem Strahlengang (38) bewegbar ist, um den Abbildungsbereich lateral zu dem Strahlengang (38) zu bewegen, wobei die Steuereinrichtung (22) dazu eingerichtet ist, die Bewegung des Stellelements während der Bildaufnahme der ein oder mehrere Bilder derart zu steuern, dass sich die Lage des Abbildungsbereichs auf dem Messobjekt nicht verändert. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren (50) zum Vermessen eines Messobjekts (30) mittels eines Koordinatenmessgeräts (10). Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät zum Vermessen eines Messobjekts. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Vermessen eines Messobjekts mittels eines Koordinatenmessgeräts. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramprodukt.
  • Koordinatenmessgeräte sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Sie dienen dazu, beispielsweise im Rahmen einer Qualitätssicherung Werkstücke bzw. Messobjekt zu überprüfen oder die Geometrie eines Messobjekts vollständig im Rahmen eines sogenannten „Reverse Engineering“ zu ermitteln. Darüber hinaus sind vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar.
  • In derartigen Koordinatenmessgeräten können verschiedene Arten von Sensoren zur Anwendung kommen, um die Koordinaten eines zu vermessenden Messobjekts zu erfassen. Beispielsweise sind hierzu taktil messende Sensoren und optische Sensoren bekannt.
  • 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 Messobjekts durchzuführen.
  • Sensorsysteme mit optischen Sensoren finden in der Koordinatenmesstechnik zunehmend Bedeutung. Dabei zeichnen sich optische Sensoren insbesondere durch eine hohe Geschwindigkeit des Messvorgangs aus. Klassischerweise weist ein Koordinatenmessgerät einen Messkopf auf, der einen optischen Sensor aufweist oder an dem ein optischer Sensor befestigt ist. Das Koordinatenmessgerät kann des Weiteren ein Trägersystem aufweisen, das den Messkopf trägt. Insbesondere kann der Messkopf mittels des Trägersystems bewegt werden. Im Stand der Technik sind verschiedene Trägersysteme bekannt, beispielsweise Portalsysteme, Ständer-, Horizontalarm- und Armsysteme, und alle Arten von Robotersystemen. Die Trägersysteme können dabei des Weiteren Systemkomponenten aufweisen, die ein möglichst flexibles Positionieren des Messkopfes ermöglichen. Darüber hinaus können verschiedene Adapter vorgesehen sein, um die unterschiedlichen Systemkomponenten des Trägersystems untereinander und mit dem Sensorsystem zu verbinden. Das Koordinatenmessgerät kann des Weiteren eine Werkstückaufnahme zur Aufnahme eines Messobjekts aufweisen, welches Vermessen werden soll.
  • Optische Sensoren können beispielsweise zum Vermessen des Messobjekts einen lichtempfindlichen Detektor (wie beispielsweise eine Kamera) aufweisen. Des Weiteren kann eine Beleuchtung für das Messobjekt vorgesehen sein, um das Messobjekt während des optischen Vermessens zu beleuchten. Des Weiteren kann eine feste Abbildungsoptik (beispielsweise ein optisches System mit einem Objektiv) vorgesehen sein, die das zu vermessende Messobjekt auf den lichtempfindlichen Detektor abbildet. Zum optischen Vermessen eines Messobjekts werden mittels des optischen Sensors dann Bilder des Messobjekts aufgenommen. Auf Grundlage der Bilder und der Position des Messkopfes relativ zu dem Messobjekt zum Zeitpunkt der jeweiligen Bildaufnahme kann dann eine dimensionelle und/oder geometrische Eigenschaften an dem Messobjekt bestimmt werden. Vorzugsweise werden dabei Bilder von unterschiedlichen Positionen aufgenommen. Dazu kann der Messkopf beispielsweise zu den jeweiligen Positionen verfahren werden.
  • Zur Bildaufnahme ist es bekannt, die Bewegung des Messkopfes an der entsprechenden Position anzuhalten bzw. zu stoppen und die Bildaufnahme durchzuführen, während der Messkopf an der entsprechenden Position hält. Auf diese Weise sind die aufgenommenen Bilder scharf abgebildet. Des Weiteren lässt sich die Bildposition, an der das Bild mit dem optischen Sensor aufgenommen und die direkt von der Position des Messkopfes zum Zeitpunkt der Bildaufnahmeabhängt, sehr genau bestimmen. Allerdings ist diese Vorgehensweise verhältnismäßig langsam, da der Messkopf für jede Bildaufnahme angehalten werden muss.
  • Zur Bildaufnahme ist es auch bekannt, die Bildaufnahme durchzuführen, während der Messkopf bewegt wird (insbesondere über die entsprechende Position bewegt wird). Diese Vorgehensweise ist verhältnismäßig schnell, da der Messkopf auch während der Bildaufnahmen weiterbewegt wird und nicht für jede Bildaufnahme angehalten werden muss. Allerdings führt diese Vorgehensweise zu einer Bewegungsunschärfe (einem sogenannten „Motion Blur“) in dem aufgenommenen Bild. Des Weiteren lässt sich die Bildposition auch nicht genau bestimmen, weil sich die Position des Messkopfes während der Bildaufnahme verändert.
  • Grundsätzlich ist es wünschenswert, dass ein Messobjekt nicht nur mit hoher Genauigkeit, sondern auch mit hoher Messgeschwindigkeit, sprich schnell und genau, vermessen werden kann.
  • In der Messtechnik ist es bekannt, zur Minimierung der Bewegungsunschärfe sehr kurze Belichtungszeiten und/oder geblitzte Beleuchtung zu verwenden. Mit anderen Worten wird hierbei der Ansatz verfolgt, die Dauer der Bildaufnahme soweit es möglich ist zu verringern. Allerdings bleibt auch bei sehr kurzen Bildaufnahmen ein Rest Bewegungsunschärfe vorhanden. Zudem ist bei sehr kurze Belichtungszeiten und/oder geblitzte Beleuchtung eine starke bzw. intensive Bauteilbeleuchtung erforderlich, was wiederrum Wärmeeinflüsse auf das Messobjekt und/oder das optische System haben kann.
  • Des Weiteren ist auch eine Subpixel-Verschiebung zwischen zwei Abbildungen bekannt, um die effektive Pixelauflösung zu erhöhen.
  • Aus der Fotographie ist es beispielsweise bekannt, zur Verhinderung oder Abschwächung des Effekts der Bewegungsunschärfe beispielsweise eine optische Bildstabilisierung einzusetzen. Dazu wird eine Bewegung, insbesondere ein Wackeln, der (vorzugsweise handgehaltenen) Kamera beispielsweise mittels eines Beschleunigungssensors erfasst und die Bewegung, sprich das Wackeln, für die Dauer einer Bildaufnahme vorhergesagt. Die vorhergesagte Bewegung wird dann ausgeglichen, indem das Bild einer Abbildung verschoben wird. Dadurch kann während der Belichtung der Effekt der Bewegungsunschärfe abgeschwächt oder vermieden werden.
  • Allerdings erhält man auf diese Weise keine messfähige Messaufnahme. Die optische Bildstabilisierung aus der der Fotografie ist darauf ausgelegt, beschleunigte Bewegungen zu kompensieren und das Bild möglichst lange „ortsfest“ zu halten. Bei einer gleichförmigen Bewegung wie zum Beispiel beim Abscannen eines Bauteils zur Messbilderfassung treten keine Beschleunigungen auf. Somit würde es mit den aus der Fotografie bekannten Methoden nicht zu einer Korrektur kommen. Des Weiteren ist es in der Fotografie nur relevant, dass das aufzunehmende Bild in seiner Position auf dem Sensor während der Belichtung möglichst ortsfest bleibt. Die Absolut-Position der Bildaufnahme im Raum ist hingegen irrelevant und mit den in der Fotografie genutzten Verfahren auch nicht zu bestimmen. In der Koordinatenmesstechnik ist die Kenntnis der genauen Bildposition aber zum Vermessen des Messobjekts notwendig.
  • Aus der Druckschrift US 6 031 225 A ist des Weiteren ein System und Verfahren zum Korrigieren eines Abtastmusters eines sich bewegenden optischen Abtastsystems bekannt. Ein Gerüst bewegt ein optisches System mit einer konstanten Geschwindigkeit in eine erste Richtung. Unter Verwendung einer Lichtquelle und eines ersten Deflektors überstreicht das optische Abtastsystem schnell einen Lichtstrahl in einer Richtung orthogonal zu der Bewegung des Gerüsts, indem es den Ablenkwinkel des ersten Deflektors linear mit der Zeit ändert. Um die Bewegung des Gerüsts zu kompensieren, umfasst das optische System einen zweiten Deflektor, der das Licht ablenkt, wobei der Ablenkwinkel in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Gerüsts bestimmt wird. Das abgelenkte Licht wird auf das Objekt (oder Muster) fokussiert. Dementsprechend wird das Objekt entlang einer korrigierten Abtastlinie senkrecht zur X-Achse abgetastet. Das optische Scansystem kann optional ein „ausgewähltes“ Scannen durchführen. Außerdem verwendet das optische System optional einen „Look-Ahead/Look-Behind“-Abtastansatz, um die Rate weiter zu verbessern, mit der Teile eines Objekts (oder Musters) inspiziert werden können.
  • Aus der Druckschrift US 9 068 831 B2 ist des Weiteren eine Bildverarbeitungsvorrichtung zum Messen einer Objektentfernung unter Verwendung einer Vielzahl von aufgenommenen Bildern bekannt, die durch zeitlich aufeinanderfolgendes Aufnehmen desselben Objekts in einer Vielzahl von Bildgebungszuständen erfasst werden. Die Bildverarbeitungsvorrichtung umfasst eine Zielbewegungsbetrag-Schätzeinheit, die eine Zielbewegung schätzt Betrag, der einen Verschiebungsbetrag der Objektposition zwischen ersten und zweiten Bildern unter den aufgenommenen Bildern darstellt, wobei das erste Bild in einem ersten Bildgebungszustand aufgenommen wird und ein zweites Bild in einem zweiten Bildgebungszustand aufgenommen wird, der sich von dem ersten Bildgebungszustand unterscheidet, ein korrigiertes Bild eine Erzeugungseinheit, die ein korrigiertes Bild durch Durchführen einer Bewegungskompensation an dem zweiten Bild basierend auf dem Zielbewegungsbetrag erzeugt, und eine Bildverarbeitungseinheit, die eine Bildverarbeitung durchführt, wie beispielsweise ein Messen einer Gegenstandsentfernung oder ein Erzeugen eines HDR-Bilds, unter Verwendung des ersten Bilds und des korrigierten Bild.
  • Die bekannten Koordinatenmessgeräte lassen noch Raum für Verbesserungen, insbesondere hinsichtlich des Vermessens eines Messobjekts mit hoher Genauigkeit und hoher Messgeschwindigkeit.
  • Vor dem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Koordinatenmessgerät sowie ein verbessertes Verfahren zum Vermessen eines Messobjekts bereitzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Koordinatenmessgerät sowie ein verbessertes Verfahren bereitzustellen, welche ein schnelles und genaues Vermessen eines Messobjekts ermöglichen und insbesondere auch Wärmeeinflüsse durch die Beleuchtung minimiert können.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Koordinatenmessgerät zum Vermessen eines Messobjekts bereitgestellt. Das Koordinatenmessgerät weist auf:
    • - eine Werkstückaufnahme zur Aufnahme des Messobjekts;
    • - einen Messkopf, der relativ zu der Werkstückaufnahme bewegbar ist und einen optischen Sensor trägt, wobei der optische Sensor einen lichtempfindlichen Detektor und ein optisches System aufweist, wobei das optische System einen Abbildungsbereich des Messobjekts auf den lichtempfindlichen Detektor abbildet, wobei der lichtempfindliche Detektor dazu eingerichtet ist, ein oder mehrere Bilder des Messobjekts aufzunehmen, wobei das optisches System einen Strahlengang von dem Messobjekt zu dem lichtempfindlichen Detektor definiert; und
    • - eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Bewegung des Messkopfes relativ zu der Werkstückaufnahme zu steuern und die Bildaufnahme der ein oder mehrere Bilder zu steuern, während sich der Messkopf bewegt,
    wobei ein Stellelement des optischen Sensors, das in dem Strahlengang angeordnet ist, gegenüber dem Strahlengang bewegbar ist, um den Abbildungsbereich lateral zu dem Strahlengang zu bewegen, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Bewegung des Stellelements während der Bildaufnahme der ein oder mehrere Bilder derart zu steuern, dass sich die Lage des Abbildungsbereichs auf dem Messobjekt nicht verändert.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Vermessen eines Messobjekts mittels eines Koordinatenmessgeräts bereitgestellt, wobei das Messobjekt in einer Werkstückaufnahme des Koordinatenmessgeräts angeordnet ist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
    • - Bewegen eines Messkopfs des Koordinatenmessgeräts relativ zu der Werkstückaufnahme, wobei der Messkopf einen optischen Sensor trägt, wobei der optische Sensor einen lichtempfindlichen Detektor und ein optisches System aufweist, wobei das optische System einen Abbildungsbereich des Messobjekts auf den lichtempfindlichen Detektor abbildet, wobei das optisches System einen Strahlengang von dem Messobjekt zu dem lichtempfindlichen Detektor definiert;
    • - Aufnehmen eines oder mehrere Bilder des Messobjekts mittels des lichtempfindlichen Detektors, während sich der Messkopf bewegt; und
    • - Bewegen eines Stellelements des optischen Sensors während der Bildaufnahme der ein oder mehrere Bilder derart, dass sich die Lage des Abbildungsbereichs auf dem Messobjekt nicht verändert, wobei das Stellelement gegenüber dem Strahlengang bewegt wird, um den Abbildungsbereich lateral zu dem Strahlengang zu bewegen.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm bereitgestellt, das Programmcodemittel zur Durchführung des Verfahrens nach dem zweiten Aspekt der Erfindung aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Koordinatenmessgerät ausgeführt wird. Des Weiteren kann auch ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt sein, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach dem zweiten Aspekt der Erfindung auszuführen.
  • Vorteilhafterweise wird das neue Verfahren unter Verwendung einer Steuereinrichtung des Koordinatenmessgeräts implementiert. Mit anderen Worten können die Schritte des Verfahrens über diese Steuereinrichtung gesteuert bzw. durchgeführt werden. Dazu kann die Steuereinrichtung beispielsweise dazu eingerichtet sein, die entsprechenden Komponenten des Koordinatenmessgeräts zu steuern.
  • Die Werkstückaufnahme dient zur Aufnahme des Messobjekts, um das Messobjekt während des Vermessens, sprich während eines Messprozesses, in definierter Position vorzusehen. Mit anderen Worten wird das Messobjekt zum Vermessen in der Werkstückaufnahme angeordnet. Die Werkstückaufnahme kann beispielsweise einen Werktisch umfassen, auf dem das Messobjekts angeordnet werden kann. Die Werkstückaufnahme kann des Weiteren auch eine Halterung umfassen, mittels der das Messobjekt in der definierten Position gehalten werden kann.
  • Der Messkopf ist relativ zu der Werkstückaufnahme bewegbar. Wenn in der Werkstückaufnahme das Messobjekt angeordnet ist, kann der Messkopf damit auch relativ zu dem Messobjekt bewegt werden. Beispielsweise kann das Koordinatensystem zum Bewegen des Messkopfs ein Trägersystem oder eine Trägerstruktur aufweisen.
  • Der Messkopf trägt den optischen Sensor. Vorzugsweise ist der optische Sensor an einer Seite des Messkopfs angeordnet, die der Werstückaufnahme zugewandt ist. Insbesondere ist der optische Sensor an dem Messkopf befestigt. Wenn der Messkopf relativ zu der Werkstückaufnahme bewegt wird, wird der optische Sensor demnach auch entsprechend relativ zu der Werkstückaufnahme bewegt.
  • Wenn das Messobjekt in der Werkstückaufnahme angeordnet ist, können mittels des optischen Sensors ein oder mehrere zweidimensionale Bilder des Messobjekts erfasst bzw. aufgenommen werden. Dazu weist der optische Sensor einen lichtempfindlichen Detektor und ein optisches System auf. Das optische System bildet einen Bereich des Messobjekts auf den lichtempfindlichen Detektor ab und definiert einen Strahlengang von dem Messobjekt zu dem lichtempfindlichen Detektor. Zur Abbildung des Bereichs weist das optische System in dem Strahlengang ein oder mehrere strahlführende oder strahlformende optische Elemente auf. Beispielsweise kann das optische System in dem Strahlengang ein Objektiv, eine oder mehrere Linsen, einen Strahlenteiler, ein oder mehrere Spiegelelemente und/oder ein oder mehrere Planplatten aufweisen, um das Licht entlang des Strahlengangs zu führen und auf den lichtempfindlichen Detektor abzubilden. Der abgebildete Bereich wird als Abbildungsbereich bezeichnet. Der Abbildungsbereich hängt unter anderem von der Position des optischen Sensors (sprich von der Position des Messkopfes) relativ zu der Werkstückaufnahme ab, in der das Messobjekt angeordnet ist. Der lichtempfindliche Detektor ist dazu eingerichtet, die ein oder mehreren Bilder des Messobjekts aufzunehmen. Zur Bildaufnahme eines Bildes wird der lichtempfindliche Detektor für die Dauer der Bildaufnahme belichtet. Der lichtempfindliche Detektor kann beispielsweise ein Bildsensor, insbesondere ein CCD-Sensor oder CMOS-Sensor, sein.
  • Die Steuereinrichtung des Koordinatenmessgeräts ist dazu ausgebildet, den Vorgang des Vermessens des Messobjekts zu steuern. Dazu steuert die Steuereinrichtung die Bewegung des Messkopfes und die Bildaufnahme des lichtempfindlichen Detektors. Insbesondere wird die Bildaufnahme der einen oder mehreren Bilder, derart gesteuert, dass die ein oder mehreren Bilder aufgenommen werden, während der Messkopf bewegt wird. Auf Basis der einen oder mehreren aufgenommenen Bilder kann die Steuereinrichtung dann beispielsweise dimensionelle und/oder geometrische Eigenschaften an dem Messobjekt bestimmen.
  • Die Steuereinrichtung des Koordinatenmessgeräts kann auch als Auswerte- und Steuereinheit bezeichnet werden. Die Steuereinrichtung kann eine Auswerteeinheit (auch Datenverarbeitungseinheit genannt) und eine Steuereinheit (auch Regelungseinheit genannt) aufweisen. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise Berechnungsschritte zum Bestimmen der dimensionellen und/oder geometrischen Eigenschaften an dem Messobjekt durchführen. Die Steuereinheit kann beispielsweise Steuerbefehle oder Steuersignale erzeugen, mittels derer das Vermessen des Messobjekts gesteuert wird. Insbesondere kann mittels der Steuersignale oder Steuerbefehle die Bewegung des Messkopfs und/oder die Bildaufnahme der ein oder mehreren Bilder gesteuert werden.
  • Wie eingangs erläutert, führt das Aufnehmen eines Bildes während der Messkopf bewegt wird, zu einer Bewegungsunschärfe. Das neue Koordinatenmessgerät und das neue Verfahren stellen einen Mechanismus bereit, mittels dem die Bewegungsunschärfe während einer derartigen Bildaufnahme verringert, insbesondere vermieden werden kann.
  • Dazu hat der optische Sensor ein Stellelement, das in dem Strahlengang angeordnet ist und das gegenüber dem Strahlengang bewegbar, insbesondere verstellbar oder verlagerbar, ist. Mit anderen Worten ist das Stellelement derart bewegbar gelagert, dass seine Lage und/oder Orientierung gegenüber dem Strahlengang verändert werden kann. Dazu kann beispielsweise eine Mikromechanik, ein Antrieb oder dergleichen vorgesehen sein.
  • Das Stellelement ist insbesondere bewegbar, um den Abbildungsbereich lateral zu dem Strahlengang zu bewegen, insb. zu verschieben. Mit anderen Worten wird durch eine Bewegung des Stellelements der auf den lichtempfindlichen Sensor abgebildete Bereich des Messobjekts verändert. Das Licht verläuft entlang des Strahlengangs in einer Strahlrichtung. Unter „Lateral zum Strahlengang“ ist somit zu verstehen, dass etwas lateral bzw. senkrecht zu dieser Strahlrichtung betrachtet wird. Mit anderen Worten wird der Abbildungsbereich somit lateral bzw. senkrecht zu dieser Strahlrichtung bewegt.
  • Die Steuereinrichtung steuert die Bewegung des Stellelements. Insbesondere kann mittels der Steuersignale oder Steuerbefehle, die die Steuereinrichtung erzeugt, zusätzlich auch die Bewegung des Stellelements gesteuert werden.
  • Weil sich der Messkopf während der Bildaufnahme der ein oder mehreren Bilder bewegt, bewegt sich dadurch auch der Abbildungsbereich während dieser Bildaufnahmen. Die Bewegung des Stellelements wird dann derart gesteuert, dass die durch die Bewegung des Messkopfes hervorgerufene Bewegung des Abbildungsbereichs ausgeglichen bzw. kompensiert wird. Die Bewegung des Stellelements wird somit derart gesteuert, dass sich der Abbildungsbereich während der Bildaufnahme der ein oder mehreren Bilder nicht verändert. Mit anderen Worten wird die Bewegung des Stellelements derart gesteuert, dass der Abbildungsbereich während der Bildaufnahme der ein oder mehreren Bilder ortsfest ist bzw. still steht. Insbesondere wird das Stellelement derart bewegt, dass der Abbildungsbereich in der entgegengesetzten Richtung zu der Bewegung des Messkopfes bewegt wird, um dadurch den Abbildungsbereich während der Bildaufnahmen still bzw. ortsfest zu halten. Mit anderen Worten ist die mittels der Bewegung des Stellelements erfolgende Bewegung des Abbildungsbereichs somit eine Ausgleichsbewegung zu der durch die Bewegung des Messkopfes erfolgende Bewegung des Abbildungsbereichs.
  • Die Ausgleichsbewegung des Stellelements erfolgt ausgehend von einer Ausgangsposition des Stellelements, in der sich das Stellelement zu Beginn der Bildaufnahme befindet. Während der Bildaufnahme der ein oder mehreren Bilder wird das Stellelement dann entsprechend der Ausgleichsbewegung bewegt. Nach erfolgter Bildaufnahme kann das Stellelement dann in die Ausgangsposition zurückbewegt werden.
  • Die Ausgleichsbewegung des Stellelements kann zum Beispielspiel während der Bildaufnahme einzelner Bilder erfolgen. Insbesondere erfolgt die Ausgleichsbewegung nur während der Bildaufnahme eines einzelnen Bildes. Bei einer Mehrzahl von aufzunehmenden Bildern kann somit jedes einzelne Bild an einer anderen Position aufgenommen werden, wobei für jedes Bild während der jeweiligen Bildaufnahme jeweils eine entsprechende Ausgleichsbewegung des Stellelements erfolgt.
  • Die Ausgleichsbewegung des Stellelements kann aber auch während der Bildaufnahme einer Mehrzahl von Bildern erfolgen. Die Ausgleichsbewegung dauert dabei so lange an, bis alle Bilder der Mehrzahl von Bildern aufgenommen sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass alle Bilder von derselben Bildposition aufgenommen werden, obwohl der Messkopf sich währenddessen (sprich während der Bildaufnahmen) weiterbewegt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn aus einer Position mehrere Bilder aufgenommen werden sollen, insbesondere mit unterschiedlichen Fokuszuständen (beispielsweise zur Aufnahme eines Fokalbildstapels) oder mit unterschiedlichen Beleuchtungszuständen (beispielsweise mit unterschiedlicher Farbe, Beleuchtungsrichtung, Polarisation, Intensität, Muster, etc.).
  • Mit anderen Worten ermöglichen das neue Koordinatenmessgerät und das neue Verfahren die Realisierung von Bildaufnahmen aus der Bewegung mit Geschwindigkeiten von größer 10 mm/s, wobei eine hohe Messgenauigkeit im Bild erreicht wird, eine Verschmierung durch Bewegungsunschärfe vermieden wird und ein möglichst geringer Wärmeeintrag durch Beleuchtung realisiert ist.
  • Der Grundgedanke des neuen Koordinatenmessgeräts und des neuen Verfahrens ist dabei die Kompensation der Bewegungsunschärfe durch ein zur Scanbewegung synchrones Verschieben des Bildes gegen die Bewegungsrichtung während der Bildaufnahme. Die Bewegungsunschärfe tritt dadurch im Bild nicht auf (oder ist zumindest vernachlässigbar klein), weil das Bild quasi stillsteht. Dadurch können längere Belichtungszeiten zur Bildaufnahme realisiert werden. Dadurch können eine geringere Beleuchtungsintensität und somit ein geringerer Wärmeeintrag während der Bildaufnahme realisiert werden.
  • Für die effektive Kompensation der Bewegung werden Daten aus der Steuerung des Koordinatenmessgeräts verwendet, die die Verfahrgeschwindigkeit bzw. die Bewegungsgeschwindigkeit des Messkopfes beschreiben, um während der Belichtung das Stellelement so anzusteuern, dass die Verfahrgeschwindigkeit des Messkopfes für die Dauer der Belichtungszeit (sprich für die Dauer der Bildaufnahme) kompensiert wird, wodurch das Bild aus Sicht des lichtempfindlichen Sensors quasi stillsteht. Zudem kann auf diese Weise auch der Ort der Bildaufnahme (sprich die Bildposition) sehr genau bestimmt werden, da dieser sich aus der Überlagerung der beiden kontrollierten Bewegungen von Messkopf und Stellelement ergibt. Nach erfolgter Bildaufnahme kann das Stellelement dann wieder zurück in die Ausgangsposition bewegt werden, um für die nächste Bildaufnahme wieder „startklar“ zu sein.
  • Des Weiteren kann die Ausgleichsbewegung auch während der Aufnahme eines sogenannten Fokusstapels (auch Fokalbildstapel genannt) über einen internen Fokusmechanismus erfolgen. Bei der Aufnahme eines Fokusstapels werden mehrere Bilder von derselben Bildposition mit unterschiedlichen Fokuseinstellungen aufgenommen, wobei diese aufgenommenen Bilder den Fokusstapel bilden. Ein Produktbeispiel hierfür ist beispielsweise der ZEISS Visioner 1 der Anmelderin. Der Ausgleich der Scanbewegung würde in diesem Falle nicht während der Bildaufnahme jedes einzelnen Bilds stattfinden, sondern insbesondere während der Aufnahme des kompletten Fokusstapels. Dies hat den Vorteil, dass die einzelnen Bilder des Fokusstapels tatsächlich übereinanderliegen würden ohne einen kontinuierlichen Versatz, der durch die Bewegung des Messkopfes hervorgerufen wird. Somit kann sich die effektive Aufnahmegeschwindigkeit noch einmal erhöhen.
  • Des Weiteren kann auch eine Ausgleichsbewegung kompensiert wird, die während der Aufnahme von mindestens zwei Bildern stattfindet, die im Anschluss an die Aufnahme miteinander verrechnet werden sollen. Beispiele hierfür sind eine Reflexkorrektur durch Verrechnung zweier Bilder mit unterschiedlicher Winkel- Beleuchtung, das Erzeugen eines Farbbildes aus drei Belichtungen mit Schwarz-Weiß-Kamera und jeweils roter, grüner und blauer Beleuchtung und das Erzeugen eines HDR-Bildes aus Teilbildern unterschiedlicher Beleuchtungsintensität.
  • Das neue Koordinatenmessgerät und das neue Verfahren ermöglichen somit ein schnelles und genaues Vermessen eines Messobjekts. Insbesondere wird mittels des neuen Koordinatenmessgeräts und des neuen Verfahrens eine hohe Messgenauigkeit und eine hohe Messgeschwindigkeit erreicht.
  • Die hohe Messgeschwindigkeit wird dadurch erreicht, dass der Messkopf zur Bildaufnahme nicht angehalten werden muss. Die hohe Messgenauigkeit wird dadurch erreicht, dass die Ausgleichsbewegung über das Stellelement während der Bildaufnahme durchgeführt wird, wodurch die Bewegungsunschärfe vermieden wird. Dadurch ist die Abbildung schärfer und die Bildposition genau bestimmbar, da sich diese direkt von der Bewegung des Messkopfes und der Bewegung des Stellelements ableiten lässt.
  • Die eingangs gestellte Aufgabe wird somit vollumfänglich gelöst.
  • In einer ersten Ausgestaltung der Aspekte weist das Koordinatenmessgerät ein Trägersystem auf, das den Messkopf trägt und das dazu ausgebildet ist, den Messkopf zu bewegen.
  • Insbesondere kann der Messkopf mittels des Trägersystems bewegt werden. Das Trägersystem kann beispielsweise ein Portalsystem, ein Ständer-, Horizontalarm- und Armsystem oder ein Robotersystem sein. Das Trägersysteme kann dabei des Weiteren Systemkomponenten aufweisen, die ein möglichst flexibles Positionieren des Messkopfes ermöglichen. Vorzugsweise weist das Trägersystem eine Antriebseinrichtung mittels der der Messkopf relativ zu dem Werkstückhalter bewegt werden kann. Die Steuereinrichtung kann die Bewegung des Messkopfes über das Trägersystem steuern. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung zur Steuerung der Bewegung des Messkopfes ein oder mehrere Steuerbefehle oder Steuersignale an das Trägersystem, insbesondere an dessen Antriebseinrichtung, senden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Aspekte ist der lichtempfindliche Detektor das Stellelement und ist lateral zu dem Strahlengang bewegbar, um den Abbildungsbereich zu bewegen.
  • Durch eine Bewegung des lichtempfindliche Detektor lateral zu der Strahlrichtung des Strahlengangs lässt sich somit der Abbildungsbereich entsprechend bewegen. Der lichtempfindliche Detektor kann dazu entsprechend lateral bewegbar gelagert sein. Zudem kann der optische Sensor eine Antriebseinrichtung zum Bewegen des lichtempfindlichen Detektors aufweisen. Insbesondere kann der lichtempfindliche Detektor lateral zu dem Strahlengang verschoben werden, um den Abbildungsbereich zu verschieben. Die Steuereinrichtung kann die laterale Bewegung des lichtempfindlichen Detektors steuern. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung zur Steuerung der lateralen Bewegung des lichtempfindlichen Detektors ein oder mehrere Steuerbefehle oder Steuersignale an den optischen Sensor, insbesondere an die Antriebseinrichtung, senden. Auf diese Weise lässt sich die Ausgleichsbewegung über eine laterale Bewegung des lichtempfindlichen Detektors realisieren. Die Ausgleichsbewegung erfolgt hierbei insbesondere in der Bildebene der Abbildung.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Aspekte weist das optische System in dem Strahlengang eine Planplatte als das Stellelement auf, wobei die Planplatte gegenüber dem Strahlengang verkippbar ist, um den Abbildungsbereich zu bewegen.
  • Eine Planplatte (auch planparallele Platte genannt) ist ein optisches Bauelement. Mittels einer Planplatte kann eine Parallelverschiebung des Lichts in dem Strahlengang bewirkt werden. Die Parallelverschiebung ist abhängig von dem Einfallswinkel des Lichts auf die Planplatte und wird größer, wenn sich der Einfallswinkel vergrößert. Durch eine Verkippung der Planplatte gegenüber dem Strahlengang ändert sich der Einfallswinkel und somit auch die Parallelverschiebung. Durch die Kippbewegung der Planplatte lässt sich somit der Abbildungsbereich entsprechend bewegen. Die Planplatte kann dazu entsprechend kippbar gelagert sein. Zudem kann der optische Sensor eine Antriebseinrichtung zum Verkippen der Planplatte aufweisen. Die Steuereinrichtung kann die Kippbewegung der Planplatte steuern. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung zur Steuerung der Kippbewegung der Planplatte ein oder mehrere Steuerbefehle oder Steuersignale an den optischen Sensor, insbesondere an die Antriebseinrichtung, senden. Auf diese Weise lässt sich die Ausgleichsbewegung über eine Kippbewegung einer Planplatte realisieren. Durch kontrolliertes Verkippen der Planplatte kann der Lateralversatz des Bildes vor dem lichtempfindlichen Detektor erreicht werden Die Ausgleichsbewegung erfolgt hierbei insbesondere in der Bildebene der Abbildung.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Aspekte weist das optische System in dem Strahlengang eine Linse als das Stellelement auf, wobei die Linse lateral bewegbar ist, um den Abbildungsbereich zu bewegen.
  • Durch eine Bewegung der Linse lateral zu der Strahlrichtung des Strahlengangs lässt sich der Abbildungsbereich entsprechend bewegen. Die Linse kann dazu entsprechend lateral bewegbar gelagert sein. Zudem kann der optische Sensor eine Antriebseinrichtung zum Bewegen der Linse aufweisen. Insbesondere kann die Linse lateral zu dem Strahlengang verschoben werden, um den Abbildungsbereich zu verschieben. Die Steuereinrichtung kann die laterale Bewegung der Linse steuern. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung zur Steuerung der lateralen Bewegung der Linse ein oder mehrere Steuerbefehle oder Steuersignale an den optischen Sensor, insbesondere an die Antriebseinrichtung, senden. Auf diese Weise lässt sich die Ausgleichsbewegung über eine laterale Bewegung einer Linse realisieren. Die laterale Bewegung der Linse führt zu einer Bildverschiebung. Abhängig vom optischen Design kann eine entsprechende Linse gewählt werden, deren Wirkung bei Verschiebung gerade einem Bildversatz entspricht.
  • Insbesondere kann das optische System in dem Strahlengang ein Objektiv aufweisen, wobei die Linse Teil des Objektivs ein kann. Beispielsweise kann hierbei nur die Linse lateral zu dem Strahlengang bewegbar sein. Alternativ kann auch das Objektiv als Ganzes lateral zu dem Strahlengang bewegt werden, um den Abbildungsbereich zu bewegen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Aspekte weist das optische System in dem Strahlengang eine Linse als das Stellelement auf, wobei die Linse eine Flüssiglinse ist, wobei die Flüssiglinse deformierbar ist, um das von dem Messobjekt kommende Licht gegenüber dem Strahlengang zu verkippen, um den Abbildungsbereich zu bewegen.
  • Die Flüssiglinse kann eine zweiphasige Flüssiglinse oder eine einphasige Flüssiglinse sein. Eine Flüssiglinse ist eine aus einer oder mehreren Flüssigkeiten bestehende optische Linse mit elektrisch variablen optischen Eigenschaften, insbesondere variabler Brennweite. Flüssiglinsen sind elektrisch steuerbar. Durch Anlegen einer Spannung (eines elektrischen Feldes) lassen sich die optischen Eigenschaften der Linse beeinflussen. Der optische Sensor kann einen Spannungsgeber aufweisen, der die Spannung bereitstellt. Die Form einer Oberfläche der Flüssiglinse kann durch die angelegte Spannung beeinflusst werden. Insbesondere kann die Form der Oberfläche in Abhängigkeit der angelegten Spannung geändert werden. Mit anderen Worten kann zumindest eine Oberfläche der Flüssiglinse über das Anlegen einer Spannung deformiert werden. Die Oberfläche der Flüssiglinse wird dabei derart deformiert, dass das von dem Messobjekt kommende Licht gegenüber dem Strahlengang verkippt bzw. abgelenkt wird. Das Verkippen bzw. Ablenken des Lichts in dem Strahlengang führt zu einem Gangunterschied in der Pupillenebene der Abbildung. Durch gezieltes Einführen eines linearen Verlaufs eines Gangunterschiedes in der Pupillenebene der Abbildung kann ein Versatz des Bildes auf dem lichtempfindlichen Detektor erzeugt werden. Der für den Versatz notwendige Hub des Verlaufes ist gegeben durch 2 * Δx * NA, wobei Δx der objektseitig auszugleichende Stellweg und NA die numerische Apertur (objektseitig) ist. Der gewünschte Gangunterschied kann über das Konzept einer Flüssiglinse eingeführt werden. Die Flüssiglinse ist derart ausgebildet (insbesondere deformierbar), dass sie den entsprechenden linearen Verlauf ermöglicht. Dadurch lässt sich der Abbildungsbereich entsprechend bewegen. Die Steuereinrichtung kann die Deformierung der Flüssiglinse steuern. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung zur Steuerung der Deformierung der Flüssiglinse ein oder mehrere Steuerbefehle oder Steuersignale an den optischen Sensor, insbesondere an den Spannungsgeber, senden. Die Steuersignale können insbesondere auch eine Steuerspannung sein, die an die Flüssiglinse angelegt wird, um diese zu deformieren. Auf diese Weise lässt sich die Ausgleichsbewegung über eine Deformierung einer Linse realisieren.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Aspekte weist das optische System in dem Strahlengang ein Spiegelelement als das Stellelement auf, wobei das Spiegelelement gegenüber dem Strahlengang verkippbar ist, um den Abbildungsbereich zu bewegen
  • Die Kippbewegung des Spiegelelements führt zu einem Gangunterschied in der Pupillenebene der Abbildung. Wie zuvor beschrieben, kann durch gezieltes Einführen eines linearen Verlaufs eines Gangunterschiedes in der Pupillenebene der Abbildung ein Versatz des Bildes auf dem lichtempfindlichen Detektor erzeugt werden. Das Spiegelelement ermöglicht den entsprechenden linearen Verlauf. Durch die Kippbewegung des Spiegelelements lässt sich somit der Abbildungsbereich entsprechend bewegen. Das Spiegelelement kann dazu beispielsweise kippbar gelagert sein. Zudem kann der optische Sensor eine Antriebseinrichtung zum Verkippen des Spiegelelements aufweisen. Alternativ kann das Spiegelelement auch deformierbar sein, um die Spiegelfläche gegenüber dem Strahlengang zu verkippen. Der optische Sensor kann beispielsweise ein Piezo-Element oder ein Heizelement aufweisen, das dazu eingerichtet ist, das Spiegelelement zu deformieren. Die Steuereinrichtung kann die Kippbewegung des Spiegelelements steuern. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung zur Steuerung der Kippbewegung des Spiegelelements ein oder mehrere Steuerbefehle oder Steuersignale an den optischen Sensor, insbesondere an die Antriebseinrichtung, das Piezo-Element oder das Heizelement, senden. Auf diese Weise lässt sich die Ausgleichsbewegung über eine Deformierung oder Kippbewegung eines Spiegelelements realisieren.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Aspekte weist das optische System in dem Strahlengang einen Strahlteiler auf, wobei der Strahlteiler derart angeordnet ist, dass er das von dem Messobjekt kommende Licht auf das Spiegelelement richtet und das von dem Spiegelelement reflektierte Licht auf den lichtempfindlichen Detektor richtet.
  • Ein Strahlteiler ist ein optisches Bauelement, das einen einzelnen Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen trennt bzw. teilt. Der Strahlteiler ist so in dem Strahlengang angeordnet, dass das ankommende Licht zunächst geteilt wird. Ein Teilstrahl wird von dem Spiegelelement zurück zu dem Strahlteiler reflektiert. Der Strahlteiler teilt dann auch das reflektierte Licht. Ein Teilstrahl des wieder geteilten, reflektierten Lichts trifft dann auf den lichtempfindlichen Detektor. Auf diese Weise kann ein Spiegelelement einfach in den Strahlengang aufgenommen werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Aspekte ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, den Messkopf mit konstanter Geschwindigkeit in einer Richtung zu bewegen, insbesondere während der Bildaufnahme der ein oder mehreren Bilder.
  • In der Messtechnik wird der Messkopf während eines Messprozesses zum Vermessen eines Messobjekts bevorzugt mit konstanter Geschwindigkeit in einer (linearen) Richtung bewegt bzw. verfahren. Entsprechend wird das Stellelement dann derart gesteuert, dass sich der Abbildungsbereich während einer Bildaufnahme mit derselben, konstanten Geschwindigkeit in der dazu entgegengesetzten Richtung bewegt, insbesondere verschiebt, um dadurch den Abbildungsbereich während der Bildaufnahme ortsfest bzw. still zu halten. Eine lineare Ausgleichsbewegung des Stellelements lässt sich verhältnismäßig einfach und mit hoher Genauigkeit realisieren im Vergleich zu beschleunigten Bewegungen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Aspekte ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, dimensionelle und/oder geometrische Eigenschaften an dem Messobjekt auf Basis der einen oder mehreren aufgenommenen Bilder und der Bewegungen des Messkopfes relativ zu der Werkstückaufnahme und des Stellelements während der Bildaufnahme der einen oder mehreren Bilder zu bestimmen.
  • Aus Kenntnis der Bewegung des Messkopfes und der Bewegung des Stellelements lässt sich die genaue Bildposition rekonstruieren, von der die Bildaufnahme erfolgt ist. Vorzugsweise entspricht die Bildposition der Position des optischen Sensors (insbesondere der Position des lichtempfindlichen Detektors) im Raum zu Beginn der Bildaufnahme. Zu Beginn der Bildaufnahme befindet sich das Stellelement in der Ausgangsposition (ohne Ausgleichsbewegung, insbesondere ohne Verschiebung bzw. Verkippung). Der optische Sensor hat eine definierte Anordnung an dem Messkopf. Somit kann die Position des optischen Sensors (insbesondere der Position des lichtempfindlichen Detektors) zu Beginn der Bildaufnahme über Bewegung des Messkopfes bestimmt werden. Die Bildposition, die Position des Messkopfes, die Position des optischen Sensors und die Position des lichtempfindlichen Detektors können in Koordinaten (x, y, z) eines kartesischen Koordinatensystems beschrieben werden, welches relativ zu dem Werkstückhalter definiert ist. Mit anderen Worten ist das kartesische Koordinatensystem so definiert, dass der Werkstückhalter darin ortsfest ist. Auf Grundlage der einen oder mehreren aufgenommenen Bilder und der jeweiligen, bestimmten Bildposition können dann in bekannter Weise dimensionelle und/oder geometrische Eigenschaften an dem Messobjekt bestimmt werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Aspekte weist das Koordinatenmessgerät eine Beleuchtungsanordnung zum Beleuchten des Messobjekts auf.
  • Die Beleuchtungsanordnung dient zum Beleuchten des Messobjekts, wenn das Messobjekt in der Werkstückaufnahme angeordnet ist. Die Beleuchtungsanordnung kann zum Beleuchten eine oder mehrere Leuchtquellen, beispielsweise ein oder mehrere Leuchtelemente (LEDs), aufweisen, mittels denen das Licht zum Beleuchten erzeugt wird. Die Beleuchtungsanordnung kann ein oder mehrere optische Elemente aufweisen (beispielsweise Strahlteiler, Spiegel, Linsen), mittels denen das erzeugte Licht auf das Messobjekt gerichtet werden kann, um das Messobjekt zu beleuchten. Die Beleuchtungsanordnung kann eine Ringlichtbeleuchtung oder Koaxial-beleuchtung aufweisen. Die Beleuchtungsanordnung kann dazu ausgebildet sein, unterschiedliche Beleuchtungen zu erzeugen (insbesondere mit unterschiedlichen Farben, Intensitäten, Polarisationen, Mustern, etc.). Die Beleuchtungsanordnung kann als ein Beleuchtungsmodul ausgebildet sein. Das Beleuchtungsmodul kann an dem Messkopf betriebsmäßig lösbar befestigt werden. Mittels der Beleuchtungsanordnung kann das Messobjekt zur Bildaufnahme, vorzugsweise gleichmäßig, ausgeleuchtet werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Aspekte ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Beleuchtungsanordnung derart zu steuern, dass das Messobjekt zumindest während der Bildaufnahme der ein oder mehreren Bilder beleuchtet wird.
  • Vorzugsweise wird die Beleuchtungsanordnung so gesteuert, dass sie zumindest oder nur während einer Bildaufnahme (Belichtung) eingeschaltet bzw. aktiv ist. Dazu kann die Steuereinrichtung entsprechende Steuersignale oder Steuerbefehle an die Beleuchtungsanordnung senden. Auf diese Weise kann das Messobjekt zur Bildaufnahme, vorzugsweise gleichmäßig, ausgeleuchtet werden. Insbesondere kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, die Beleuchtungsanordnung derart zu steuern, dass das Messobjekt wahlweise mit einer der unterschiedlichen Beleuchtungen beleuchtet werden kann. Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung die Beleuchtungsanordnung derart steuern, dass das Messobjekt während der Bildaufnahme eines Bildes mit einer bestimmten Beleuchtung (beispielweise mit Licht einer bestimmten Farbe oder Polarisation) beleuchtet wird.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Aspekte weist das Verfahren des Weiteren den folgenden Schritt auf:
    • - Bestimmen dimensioneller und/oder geometrischer Eigenschaften an dem Messobjekt (60) auf Basis der einen oder mehreren aufgenommenen Bilder und einer Position des Messkopfes (16) relativ zu der Werkstückaufnahme (12) zum Zeitpunkt der Bildaufnahme der einen oder mehreren Bilder.
  • Vorzugsweise wird der Schritt des Bestimmens mittels der Steuereinrichtung des Koordinatenmessgeräts durchgeführt. Wie zuvor beschrieben, lässt sich aus Kenntnis der Bewegung des Messkopfes und der Bewegung des Stellelements die genaue Bildposition rekonstruieren, von der die Bildaufnahme erfolgt ist. Auf Grundlage der einen oder mehreren aufgenommenen Bilder und der jeweiligen, bestimmten Bildposition können dann in bekannter Weise dimensionelle und/oder geometrische Eigenschaften an dem Messobjekt bestimmt werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Aspekte weist das Verfahren des Weiteren den folgenden Schritt auf:
    • - Beleuchten des Messobjekts (60) mittels einer Beleuchtungsanordnung des Koordinatenmessgeräts (10), während die ein oder mehreren Bilder aufgenommen werden
  • Vorzugsweise wird der Schritt des Beleuchtens mittels der Steuereinrichtung des Koordinatenmessgeräts gesteuert. Insbesondere steuert die Steuereinrichtung dazu die Beleuchtungsanordnung. Wie zuvor beschrieben, wird die Beleuchtungsanordnung vorzugsweise so gesteuert, dass sie zumindest oder nur während einer Bildaufnahme (Belichtung) eingeschaltet bzw. aktiv ist und das Messobjekt beleuchtet. Dazu kann die Steuereinrichtung entsprechende Steuersignale oder Steuerbefehle an die Beleuchtungsanordnung senden. Auf diese Weise kann das Messobjekt zur Bildaufnahme, vorzugsweise gleichmäßig, ausgeleuchtet werden.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend 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.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine isometrische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des neuen Koordinatenmessgeräts;
    • 2 eine schematische Darstellung des Koordinatenmessgeräts aus 1 beim Vermessen eines Messobjekts;
    • 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des neuen Verfahrens zum Vermessen eines Messobjekts;
    • 4 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des optischen Sensors des Koordinatenmessgeräts aus 1;
    • 5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des optischen Sensors des Koordinatenmessgeräts aus 1;
    • 6 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des optischen Sensors des Koordinatenmessgeräts aus 1;
    • 7 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des optischen Sensors des Koordinatenmessgeräts aus 1; und
    • 8 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform des optischen Sensors des Koordinatenmessgeräts aus 1.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des neuen Koordinatenmessgerätes in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Das Koordinatenmessgerät 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Werkstückaufnahme 12, ein Trägersystem 14, einen Messkopf 16, einen optischen Sensor 18, einen separaten taktilen Sensor 20 und eine Steuereinrichtung 22 auf. Das Koordinatenmessgerät dient zum Vermessen eines Messobjekts.
  • Die Werkstückaufnahme 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel des Koordinatenmessgerätes 10 in Form eines Kreuztisches ausgebildet. Die Werkstückaufnahme 12 dient zur Aufnahme des Messobjekts. Mit anderen Worten kann in bzw. auf der Werkstückaufnahme 12 das Messobjekt angeordnet werden. Oberhalb der Werkstückaufnahme 12 ist das Trägersystem 14 angeordnet. Das Trägersystem 14 trägt den Messkopf 16. Das Trägersystem 14 ist dazu eingerichtet, den Messkopf 16 zu bewegen. An dem Messkopf 16 sind der optische Sensor 18 und der separate taktile Sensor 20 befestigt. Prinzipiell kann der Messkopf 16 eine reine Halteplatte sein, an der verschiedene Sensoren befestigt werden können. Mit dem optischen Sensor 18 kann das Koordinatenmessgerät das Messobjekt optisch vermessen. Dazu können beispielsweise mittels des optischen Sensors 18 Bildaufnahmen aus verschiedenen Positionen relativ zu dem Messobjekt gemacht werden, wobei der optische Sensor 18 mit Hilfe der Werkstückaufnahme 12 und des Trägersystems 14 relativ zu dem Messobjekt entsprechend verfahren bzw. bewegt wird. Mit dem taktilen Sensor 20 kann das Koordinatenmessgerät 10 in bekannter Weise einen Messpunkt an einem Messobjekt antasten, das zu diesem Zweck auf der Werkstückaufnahme 12 angeordnet wird. Der taktile Sensor 20 wird mit Hilfe der Werkstückaufnahme 12 und des Trägersystems 14 relativ zu dem Messobjekt verfahren, um den Messpunkt anzutasten. Anhand der jeweiligen Positionen der Werkstückaufnahme und des Trägersystems können dann Raumkoordinaten des angetasteten Messpunktes in bekannter Weise bestimmt werden.
  • Das Koordinatenmessgerät 10 ist ein bevorzugtes Beispiel eines Multisensorik- Koordinatenmessgerätes, bei dem zusätzlich zu dem optischen Sensor 18 ein taktiler Sensor 20 zur Vermessung eines Messobjekts genutzt werden kann. Alternativ kann das neue Koordinatenmessgerät in anderen Ausführungsbeispielen lediglich einen oder mehrere optische Sensoren besitzen.
  • Des Weiteren kann die vorliegende Erfindung nicht nur bei Koordinatenmessgeräten verwendet werden, die den in 1 dargestellten Maschinenaufbau besitzen. Prinzipiell kann das neue Koordinatenmessgerät in Brückenbauweise, Portalbauweise, Horizontalarmbauweise oder einer beliebigen anderen Maschinenbauweise ausgebildet sein.
  • Das Koordinatenmessgerät 10 kann des Weiteren eine Beleuchtungsanordnung (in 1 nicht dargestellt) aufweisen. Die Beleuchtungsanordnung dient zur Beleuchtung des Messobjekts, insbesondere während das Messobjekt mit dem optischen Sensor 18 vermessen wird. Die Beleuchtungsanordnung kann als Beleuchtungsmodul ausgebildet sein. Insbesondere kann der Messkopf 16 des Koordinatenmessgeräts 10 derart ausgebildet sein, dass an diesem das Beleuchtungsmodul betriebsmäßig lösbar befestigt werden kann.
  • Die Steuereinrichtung 22 des Koordinatenmessgerätes 10 ist dazu eingerichtet, die Komponenten des Koordinatenmessgerätes 10 zu steuern und Daten zu verarbeiten. Die Steuereinrichtung 22 kann zum Beispiel die Antriebe (beispielsweise des Trägersystems oder der Werkstückaufnahme) des Koordinatenmessgerätes 10 steuern, um den Messkopf 16 relativ zu einem Messobjekt zu verfahren bzw. zu bewegen. Des Weiteren kann die Steuereinrichtung 22 auch den optischen Sensor 18 steuern, um ein oder mehrere Bilder des Messobjekts aufzunehmen. Des Weiteren kann die Steuereinrichtung 22 auch die Beleuchtungsanordnung steuern, um das Messobjekt zumindest während der Bildaufnahme der ein oder mehreren Bilder zu beleuchten. Des Weiteren kann die Steuereinrichtung 22 beispielsweise auch Sensordaten des optischen und/oder taktilen Sensors 18, 20 einlesen, und in Abhängigkeit von diesen Sensordaten und in Abhängigkeit von der jeweiligen Position des Messkopfes und der Werkstückaufnahme Raumkoordinaten für einen oder mehrere Messpunkte an dem Messobjekt bestimmen. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 22 dazu eingerichtet sein, dimensionelle und/oder geometrische Eigenschaften an dem Messobjekt auf Basis der einen oder mehreren aufgenommenen Bilder und der Position des Messkopfes 16 relativ zu der Werkstückaufnahme 12 zum jeweiligen Zeitpunkt der Bildaufnahme der einen oder mehreren Bilder zu bestimmen.
  • Die Steuereinrichtung 22 kann vorzugsweise verschiedene Untereinheiten aufweisen, die jeweils eine Steuerung einer Komponente und/oder eine Verarbeitung von Daten durchführen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 22 eine Regelungseinheit aufweisen, die die Bewegung des Messkopfes 16 relativ zu der Werkstückaufnahme 12, die Bildaufnahme des optischen Sensors 18 und/oder die Beleuchtung der Beleuchtungsanordnung steuert. Des Weiteren kann die Steuereinrichtung 22 eine Datenverarbeitungseinheit aufweisen, die dazu eingerichtet ist, die erfassten Sensordaten der Sensoren 18 und 20, insbesondere die aufgenommenen Bilder, auszuwerten.
  • Die Steuereinrichtung 22 kann mit einem nichtflüchtigen Datenspeicher, in dem ein Computerprogramm gespeichert ist, verbunden sein oder diesen aufweisen. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die Steuereinrichtung 22 ein Mehrzweckcomputer, wie etwa ein handelsüblicher Personal Computer, der unter Windows®, Linux oder MacOS läuft, und das Computerprogramm aus dem Speicher weist einen Programmcode auf, der zum Implementieren von Funktionen (insbesondere von Steuer- und Bestimmungsschritten) des neuen Koordinatenmessgeräts gestaltet und ausgebildet ist. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung 22 ein logischer Schaltkreis, wie etwa ein vor Ort programmierbares Gate-Array (FPGA: Field Programmable Gate Array), ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC: Application-Specific Integrated Circuit), ein Mikrocontroller oder ein beliebiger anderer angemessener programmierbarer elektrischer Schaltkreis. Darin können die Funktionen des neuen Koordinatenmessgeräts mit dem logischen Schaltkreis implementiert werden. Zum Implementieren der Funktionen des neuen Koordinatenmessgeräts in dem logischen Schaltkreis kann eine beliebige angemessene Programmiersprache oder Hardwarebeschreibungssprache verwendet werden, wie etwa C, VHDL und dergleichen.
  • 2 zeigt das Koordinatenmessgerät 10 während des Vermessens eines Messobjekts 30. Das Messobjekt 30 ist zum Vermessen in bzw. auf der Werkstückaufnahme 12 angeordnet.
  • Der Messkopf 16 wird während des Vermessens des Messobjekts relativ zu der Werkstückaufnahme 12 in einer Richtung bewegt. Die Bewegung des Messkopfes 16 ist in 2 mittels eines Pfeils mit der Bezugsziffer 32 dargestellt. Die Bewegung 32 des Messkopfes 16 erfolgt vorzugsweise tangential zu der Werkstückaufnahme 12.
  • An dem Messkopf 16 ist der optische Sensor 18 angeordnet, wobei der Messkopf 16 den optische Sensor 18 trägt. Insbesondere kann der optische Sensor an dem Messkopf 16 befestigt sein. Bei der Bewegung 32 des Messkopfes wird der optische Sensor 18 somit entsprechend mitbewegt. Auf diese Weise kann die Position des optischen Sensor 18 relativ zu dem Messobjekt 30 verändert werden.
  • Der optische Sensor weist einen lichtempfindlichen Detektor 34 und ein optisches System 36 auf. Das optische System 36 einen Abbildungsbereich des Messobjekts 30 auf den lichtempfindlichen Detektor 34 ab. Das optische System 36 definiert einen Strahlengang 38 von dem Messobjekt 30 zu dem lichtempfindlichen Detektor 34. Der lichtempfindliche Detektor 34 ist dazu eingerichtet, ein oder mehrere Bilder des Messobjekts 30 aufzunehmen.
  • In 2 ist des Weiteren die Beleuchtungsanordnung des Koordinatenmessgeräts dargestellt und mit der Bezugsziffer 40 bezeichnet. Die Beleuchtungsanordnung 40 ist an dem Messkopf 16 angeordnet und vorzugsweise an dem Messkopf 16 befestigt. Die Beleuchtungsanordnung 40 beleuchtet das Messobjekt 30. Dazu erzeugt die Beleuchtungsanordnung 40 (beispielsweise mittels einer Lichtquelle) Licht 42 und richtet das erzeugte Licht 42 auf das Messobjekt 30.
  • Die Steuereinrichtung 22 steuert die Bewegung 32 des Messkopfes relativ zu der Werkstückaufnahme 12, während das Messobjekt 30 vermessen wird. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 22 das Trägersystem 14 (insbesondere einen Antrieb des Trägersystems 14) entsprechend steuern, um den Messkopf 16 zu bewegen. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 22 die Bewegung 32 des Messkopfes 16 derart steuern, dass der Messkopf 16 während des Vermessens (insbesondere während der Bildaufnahme der einen oder mehreren Bilder) mit konstanter Geschwindigkeit in eine Richtung bewegt wird.
  • Des Weiteren steuert die Steuereinrichtung 22 die Bildaufnahme einer oder mehrerer Bilder mittels des lichtempfindlichen Detektors 34. Die Bildaufnahme wird derart gesteuert, dass die Bildaufnahme erfolgt, während der Messkopf 16 zum Vermessen bewegt wird.
  • Des Weiteren steuert die Steuereinrichtung 22 die Beleuchtungsanordnung 40, um das Messobjekt 30 zu beleuchten, insbesondere während der Bildaufnahme der einen oder mehreren Bilder.
  • Wie eingangs erläutert, führt die Bildaufnahme eines Bildes, während der Messkopf 16 bewegt wird, zu einer Bewegungsunschärfe im aufgenommenen Bild, weil sich der Abbildungsbereich während der Bildaufnahme bewegt bzw. verschiebt. Insbesondere wird bei einer lateralen bzw. tangentialen Bewegung 32 des Messkopfes 16 relativ zu der Werkstückaufnahme 12 der Abbildungsbereich ebenfalls lateral (insbesondere lateral zu dem Strahlengang 38) verschoben.
  • Der optische Sensor 18 weist einen Verstellmechanismus auf, mittels dem eine Ausgleichsbewegung erfolgt, die die Bewegung bzw. Verschiebung des Abbildungsbereichs während der Bildaufnahme verhindert, sprich kompensiert oder ausgleicht. Der Verstellmechanismus ist somit dazu ausgebildet, den Abbildungsbereich zu bewegen. Damit sich der Abbildungsbereich während einer Bildaufnahme nicht ändert, wird die Bewegung des Abbildungsbereichs, die durch den Verstellmechanismus erfolgt, so gesteuert, dass sie genau entgegengesetzt zu der Bewegung des Abbildungsbereichs, die durch die Bewegung des Messkopfes 16 erfolgt, verläuft. Auf diese Weise wird der Abbildungsbereich an einer Stelle gehalten.
  • Der Verstellmechanismus ist in dem optischen Sensor 18 über ein Stellelement realisiert. Das Stellelement ist ein Element des optischen Sensor 18, das in dem Strahlengang 38 angeordnet ist. Das Stellelement kann beispielsweise der lichtempfindliche Detektor 34 oder ein Element des optischen Systems 36 (beispielsweise eine Linse, ein Objektiv, ein Spiegelelement, oder eine Planplatte) sein. Das Stellelement ist gegenüber dem Strahlengang bewegbar bzw. verlagerbar, um den Abbildungsbereich lateral zu dem Strahlengang zu bewegen. Verschiedene Ausführungen des Stellelements sowie dessen Bewegung bzw. Verlagerung gegenüber dem Strahlengang 38 werden im Zusammenhang mit den 4 bis 8 nachstehend beschrieben.
  • Die Steuereinrichtung 22 steuert das Stellelement. Vorzugsweise kann die Steuereinrichtung 22 die Bewegung des Stellelements steuern. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 22 die Bewegung des Stellelements während der Bildaufnahme der ein oder mehrere Bilder derart steuern, dass sich der Abbildungsbereich nicht verändert. Mit anderen Worten wird das Stellelement so gesteuert, dass es die entsprechende Ausgleichsbewegung zu der Bewegung des Messkopfes 16 durchführt.
  • Des Weiteren kann die Steuereinrichtung 22 dimensionelle und/oder geometrische Eigenschaften an dem Messobjekt 30 auf Basis der einen oder mehreren aufgenommenen Bilder und der Bewegungen des Messkopfes 16 relativ zu der Werkstückaufnahme 12 und des Stellelements während der Bildaufnahme der einen oder mehreren Bilder bestimmen.
  • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens zum Vermessen eines Messobjekts mittels eines Koordinatenmessgeräts, wobei das neue Verfahren in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet ist. Insbesondere wird in dem neuen Verfahren ein Messobjekt (beispielsweise das Messobjekt 30) mittels des Koordinatenmessgeräts 10 vermessen. Das Messobjekt 30 ist dazu in der Werkstückaufnahme 12 angeordnet.
  • In einem ersten Schritt 52 des Verfahrens 50 wird der Messkopf 16 relativ zu der Werkstückaufnahme 12 bewegt. Insbesondere steuert die Steuereinrichtung 22 diese Bewegung 32 des Messkopfes 16. Vorzugsweise wird der Messkopf 16 zum Vermessen mit konstanter Geschwindigkeit in einer Richtung bewegt.
  • In einem weiteren Schritt 54 des Verfahrens 50 werden ein oder mehrere Bilder des Messobjekts 30 mittels des lichtempfindlichen Detektors 34 aufgenommen, während sich der Messkopf 16 bewegt wird (sprich während des Schritts 52). Insbesondere steuert die Steuereinrichtung 22 die Bildaufnahme der ein oder mehrere Bilder des Messobjekts 30 mittels des lichtempfindlichen Detektors 34.
  • In einem weiteren Schritt 56 des Verfahrens 50 wird das Stellelement des optischen Sensors 18 während der Bildaufnahme der ein oder mehrere Bilder (sprich während des Schritts des Aufnehmens 54) derart bewegt, dass sich der Abbildungsbereich nicht verändert. Dazu wird das Stellelement gegenüber dem Strahlengang 38 bewegt, um den Abbildungsbereich lateral zu dem Strahlengang 38 zu bewegen. Die Bewegung des Abbildungsbereichs erfolgt entgegengesetzt zu der Bewegung 32 des Messkopfes 16. Insbesondere steuert die Steuereinrichtung 22 die Bewegung des Stellelements.
  • In einem weiteren Schritt 58 des Verfahrens 50 wird das Messobjekts 30 mittels der Beleuchtungsanordnung 40 des Koordinatenmessgeräts 10 beleuchtet, während die ein oder mehreren Bilder aufgenommen werden (sprich während des Schritts des Aufnehmens 54). Insbesondere steuert die Steuereinrichtung 22 die Beleuchtung der Beleuchtungsanordnung 40. Die Beleuchtung erfolgt vorzugsweise während der gesamten Aufnahmezeit jedes einzelnen Bildes. Insbesondere kann die Beleuchtung eingeschaltet werden, bevor die Bildaufnahme eines Bildes startet, und erst wieder ausgeschaltet werden, nachdem die Bildaufnahme eines Bildes beendet ist.
  • In einem weiteren Schritt 60 des Verfahrens 50 werden dimensionelle und/oder geometrische Eigenschaften an dem Messobjekt 30 auf Basis der einen oder mehreren aufgenommenen Bilder und der Bewegungen des Messkopfes 16 relativ zu der Werkstückaufnahme 12 und des Stellelements während der Bildaufnahme der einen oder mehreren Bilder bestimmt. Insbesondere wird der Schritt des Bestimmens 60 durch die Steuereinrichtung 22 durchgeführt.
  • Nach dem Schritt 52 und vor den Schritten 54, 56 und 58 kann optional die aktuelle Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit des Messkopfes 16 relativ zu der Werkstückaufnahme 12 bestimmt werden. Die Bestimmung kann mittels der Steuereinrichtung 22 erfolgen. Die Steuereinrichtung kann dann den optischen Sensor, das Stellelement und die Beleuchtungsanordnung 40 synchron ansteuern, um die Schritte 54, 56 und 58 synchronisiert auszuführen.
  • 4 zeigt eine erste Ausführungsform des optischen Sensors 18 des Koordinatenmessgeräts 10 aus 1. In 4 weist das optische System 36 in dem Strahlengang 38 zwei Linsen 72, 74 auf. Die Linse 74 ist in dem Strahlengang 38 strahlaufwärts von der Linse 72 angeordnet. Über die Linsen 72, 74 wird das Messobjekt 30 auf den lichtempfindlichen Detektor 34 abgebildet.
  • In der Ausführungsform der 4 ist der lichtempfindliche Detektor 34 das Stellelement des optischen Sensors 18. Mit anderen Worten ist hier das Stellelement durch den lichtempfindliche Detektor 34 realisiert. Der lichtempfindliche Detektor 34 ist lateral zu dem Strahlengang 38 bewegbar. Die laterale Bewegung des lichtempfindlichen Detektors 34 ist in 4 beispielhaft mittels eines Pfeils mit der Bezugsziffer 70 dargestellt. Eine durch diese laterale Bewegung 70 lateral versetzte Anordnung des lichtempfindlichen Detektors 34 ist beispielhaft mit gestrichelter Linie dargestellt und mit der Bezugsziffer 34' bezeichnet.
  • Durch die laterale Bewegung 70 des lichtempfindlichen Detektors 34 ändert sich der Bereich des Messobjekts 30 (sprich der Abbildungsbereich), der auf dem lichtempfindlichen Detektor 34 abgebildet wird. Mit anderen Worten führt die laterale Bewegung 70 des lichtempfindlichen Detektors 34 zu einer entsprechenden lateralen Bewegung des Abbildungsbereichs.
  • Der optische Sensor 18 kann eine Antriebseinrichtung zum lateralen Bewegen des lichtempfindlichen Detektors 34 aufweisen. Die Steuereinrichtung 22 kann die laterale Bewegung 70 des lichtempfindlichen Detektors 34 steuern. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 22 zur Steuerung der lateralen Bewegung 70 des lichtempfindlichen Detektors 34 ein oder mehrere Steuerbefehle oder Steuersignale an den optischen Sensor 18, insbesondere an die Antriebseinrichtung zum lateralen Bewegen des lichtempfindlichen Detektors 34, senden.
  • 5 zeigt eine zweite Ausführungsform des optischen Sensors 18 des Koordinatenmessgeräts 10 aus 1. Der Aufbau des optischen Sensors 18 der zweiten Ausführungsform entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des optischen Sensors 18 gemäß der ersten Ausführungsform aus 4. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht näher erläutert. Der optische Sensor 18 der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem optischen Sensor 18 der ersten Ausführungsform in der Ausführung des Stellelements.
  • Das optische System 36 weist hier des Weiteren eine Planplatte 76 auf. In der Ausführungsform der 5 ist die Planplatte 76 das Stellelement des optischen Sensors 18. Mit anderen Worten ist hier das Stellelement durch die Planplatte 76 realisiert. Die Planplatte 76 ist in dem Strahlengang 38 strahlabwärts von der Linse 72 angeordnet. Die Planplatte 76 ist gegenüber dem Strahlengang 38 verkippbar. Die Kippbewegung der Planplatte 76 ist in 5 beispielhaft mittels eines Pfeils mit der Bezugsziffer 78 dargestellt. Eine durch diese Kippbewegung 78 gekippte Anordnung der Planplatte 76 ist beispielhaft mit gestrichelter Linie dargestellt und mit der Bezugsziffer 76' bezeichnet.
  • Durch die Kippbewegung 78 der Planplatte 76 ändert sich der Bereich des Messobjekts 30 (sprich der Abbildungsbereich), der auf dem lichtempfindlichen Detektor 34 abgebildet wird. Insbesondere wird der Bereich dadurch lateral verschoben. Mit anderen Worten führt die Kippbewegung 78 der Planplatte 76 zu einer entsprechenden lateralen Bewegung des Abbildungsbereichs.
  • Der optische Sensor 18 kann eine Antriebseinrichtung zum Verkippen der Planplatte 76 aufweisen. Die Steuereinrichtung 22 kann die Kippbewegung 78 der Planplatte 76 steuern. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 22 zur Steuerung der Kippbewegung 78 ein oder mehrere Steuerbefehle oder Steuersignale an den optischen Sensor 18, insbesondere an die Antriebseinrichtung zum Verkippen der Planplatte 76, senden.
  • 6 zeigt eine dritte Ausführungsform des optischen Sensors 18 des Koordinatenmessgeräts 10 aus 1. Der Aufbau des optischen Sensors 18 der dritten Ausführungsform entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des optischen Sensors 18 gemäß der ersten Ausführungsform aus 4. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht näher erläutert. Der optische Sensor 18 der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von dem optischen Sensor 18 der ersten Ausführungsform in der Ausführung des Stellelements.
  • In der Ausführungsform der 6 ist die Linse 74 das Stellelement des optischen Sensors 18. Mit anderen Worten ist hier das Stellelement durch die Linse 74 realisiert. Die Linse 74 ist lateral zu dem Strahlengang 38 bewegbar. Die laterale Bewegung der Linse 74 ist in 6 beispielhaft mittels eines Pfeils mit der Bezugsziffer 80 dargestellt. Eine durch diese laterale Bewegung 80 lateral versetzte Anordnung der Linse 74 ist beispielhaft mit gestrichelter Linie dargestellt und mit der Bezugsziffer 74' bezeichnet.
  • Durch die laterale Bewegung 80 der Linse 74 ändert sich der Bereich des Messobjekts 30 (sprich der Abbildungsbereich), der auf dem lichtempfindlichen Detektor 34 abgebildet wird. Mit anderen Worten führt die laterale Bewegung 80 der Linse 74 zu einer entsprechenden lateralen Bewegung des Abbildungsbereichs.
  • Der optische Sensor 18 kann eine Antriebseinrichtung zum lateralen Bewegen der Linse 74 aufweisen. Die Steuereinrichtung 22 kann die laterale Bewegung 80 der Linse 74 steuern. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 22 zur Steuerung der lateralen Bewegung 80 ein oder mehrere Steuerbefehle oder Steuersignale an den optischen Sensor 18, insbesondere an die Antriebseinrichtung zum lateralen Bewegen der Linse 74, senden.
  • 7 zeigt eine vierte Ausführungsform des optischen Sensors 18 des Koordinatenmessgeräts 10 aus 1. Der Aufbau des optischen Sensors 18 der vierten Ausführungsform entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des optischen Sensors 18 gemäß der ersten Ausführungsform aus 4. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht näher erläutert. Der optische Sensor 18 der vierten Ausführungsform unterscheidet sich von dem optischen Sensor 18 der ersten Ausführungsform in der Ausführung des Stellelements.
  • In der Ausführungsform der 7 ist die Linse 74 das Stellelement des optischen Sensors 18. Mit anderen Worten ist hier das Stellelement durch die Linse 74 realisiert. Die Linse 74 ist eine Flüssiglinse, die deformierbar ist, um das von dem Messobjekt 30 kommende Licht gegenüber dem Strahlengang 38 zu verkippen bzw. abzulenken. Die Flüssiglinse ist elektrisch steuerbar. Durch Anlegen einer Spannung kann die Flüssiglinse deformiert werden, um die entsprechende Verkippung zu erreichen. Alternativ kann die Flüssiglinse auch über eine Mikromechanik deformiert werden. Beispielsweise kann eine Flüssiglinse eine mit Flüssigkeit gefüllte Membranlinse sein. Eine Membran der Membranlinse kann über ein mittels der angelegten Spannung erzeugtes elektrisches Feld oder mittels der Mikromechanik deformiert werden. Um die Verkippung bzw. Ablenkung des Lichts zu erreichen, wird die Flüssiglinse derart deformiert, dass diese einen Phasenfehler in der Abbildung erzeugt, der im Sinne einer Zernike-Aberration auch als Kipp bezeichnet wird. Die Deformierung der Linse 74 und die dadurch resultierende Verkippung bzw. Ablenkung des Lichts ist in 7 beispielhaft mittels eines Pfeils mit der Bezugsziffer 82 dargestellt. Eine durch diese Deformation deformierte Anordnung der Linse 74 ist beispielhaft mit gestrichelter Linie dargestellt und mit der Bezugsziffer 74" bezeichnet.
  • Durch die Deformierung 82 der Linse 74 ändert sich der Bereich des Messobjekts 30 (sprich der Abbildungsbereich), der auf dem lichtempfindlichen Detektor 34 abgebildet wird. Insbesondere wird der Bereich dadurch lateral verschoben. Mit anderen Worten führt die Deformierung 82 der Linse 74 zu einer entsprechenden lateralen Bewegung des Abbildungsbereichs.
  • Der optische Sensor 18 kann einen Spannungsgeber zum Bereitstellen einer Spannung (Steuerspannung) zum Anlegen an die Linse 74 aufweisen, wobei die Deformierung der Linse mittels der angelegten Spannung eingestellt wird. Die Steuereinrichtung 22 kann die Deformierung 82 der Linse 74 steuern. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 22 zur Steuerung der Deformierung 82 ein oder mehrere Steuerbefehle oder Steuersignale an den optischen Sensor 18, insbesondere an den Spannungsgeber, senden. Die Steuersignale können auch eine Steuerspannung sein, die direkt an die Linse 74 zur Steuerung der Deformierung angelegt werden kann.
  • 8 zeigt eine fünfte Ausführungsform des optischen Sensors 18 des Koordinatenmessgeräts 10 aus 1. Der Aufbau des optischen Sensors 18 der fünften Ausführungsform entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des optischen Sensors 18 gemäß der ersten Ausführungsform aus 4. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht näher erläutert. Der optische Sensor 18 der fünften Ausführungsform unterscheidet sich von dem optischen Sensor 18 der ersten Ausführungsform in der Ausführung des Stellelements und der Führung des Lichts im Strahlengang 38.
  • Das optische System 36 weist hier des Weiteren ein Spiegelelement 84 und einen Strahlteiler 88 auf. Das Spiegelelement 84 und der Strahlteiler 88 sind in dem Strahlengang 38 zwischen den beiden Linsen 72, 74 angeordnet. Der Strahlteiler 88 ist so angeordnet, dass er das von dem Messobjekt 30 kommende Licht auf das Spiegelelement 84 richtet. Das Spiegelelement 84 ist derart angeordnet, dass es das von dem Strahlteiler 88 kommende Licht in Richtung des Strahlteilers 88 zurück reflektiert. Der Strahlteiler 88 ist so angeordnet, dass er das von dem Spiegelelement 84 reflektierte Licht auf den lichtempfindlichen Detektor 34 richtet.
  • In der Ausführungsform der 8 ist das Spiegelelement 84 das Stellelement des optischen Sensors 18. Mit anderen Worten ist hier das Stellelement durch das Spiegelelement 84 realisiert. Dazu ist das Spiegelelement 84 gegenüber dem Strahlengang 38 verkippbar. Die Kippbewegung des Spiegelelements 84 ist in 8 beispielhaft mittels eines Pfeils mit der Bezugsziffer 86 dargestellt. Eine durch diese Kippbewegung 86 gekippte Anordnung des Spiegelelements 84 ist beispielhaft mit gestrichelter Linie dargestellt und mit der Bezugsziffer 84' bezeichnet.
  • Durch die Kippbewegung 86 des Spiegelelements 84 ändert sich der Bereich des Messobjekts 30 (sprich der Abbildungsbereich), der auf dem lichtempfindlichen Detektor 34 abgebildet wird. Insbesondere wird der Bereich dadurch lateral verschoben. Mit anderen Worten führt die Kippbewegung 86 zu einer entsprechenden lateralen Bewegung des Abbildungsbereichs.
  • Der optische Sensor 18 kann eine Antriebseinrichtung zum Verkippen des Spiegelelements 84 aufweisen. Alternativ kann das Spiegelelement 84 auch deformierbar sein, um die Spiegelfläche gegenüber dem Strahlengang 38 zu verkippen. Der optische Sensor 18 kann dazu beispielsweise ein Piezo-Element oder ein Heizelement aufweisen, das dazu eingerichtet ist, das Spiegelelement 84 entsprechend zu deformieren. Die Steuereinrichtung 22 kann die Kippbewegung 86 des Spiegelelements 84 steuern. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 22 zur Steuerung der Kippbewegung 86 ein oder mehrere Steuerbefehle oder Steuersignale an den optischen Sensor 18, insbesondere an die Antriebseinrichtung, das Piezo-Element oder das Heizelement, senden.
  • Im Folgenden wird ein Anwendungsbeispiel für das neue Koordinatenmessgerät und das neue Verfahren beschrieben. In diesem Anwendungsbeispiel werden folgende Prozessparameter vorgegeben:
    • - Abbildungssystem mit Maßstab 1,5x
    • - Kamera-Pixelgröße (Pixelgröße der Pixel des Detektors 34): 3,45µm
    • - Belichtungszeit: 1 ms
    • - Verfahrgeschwindigkeit: 10mm/s, 100mm/s
    • - Numerische Apertur (Objektseitig): 0,1
    • - Feldgröße: 6,9mm x 9,2mm
  • Die Kamera-Pixelgröße gibt die Pixelgröße der Pixel des lichtempfindlichen Detektors 34 an. Die Verfahrgeschwindigkeit gibt die Geschwindigkeit an, mit der der Messkopf 16 in einer Richtung während des Vermessens konstant bewegt wird.
  • In diesem Anwendungsbeispiel ergibt sich zunächst eine Verschmierung des Bildes während der Belichtungszeit von 10µm bzw. 4 Pixel (bei einer Verfahrgeschwindigkeit von 10mm/s) oder 100µm bzw. 43 Pixel (bei einer Verfahrgeschwindigkeit von 100mm/s). Weiterhin lässt sich errechnen, dass alle 0,7 Sekunden (bei einer Verfahrgeschwindigkeit von 10mm/s) bzw. 0,07 Sekunden (bei einer Verfahrgeschwindigkeit von 100mm/s) ein Bild aufgenommen wird, da nach dieser Zeit eine Länge zurückgelegt wurde, die der kurzen Kante des Bildfeldes entspricht.
  • Für die ausgleichende Verschiebungsbewegung, sprich die Ausgleichsbewegung des Stellelements, lassen sich somit folgende Anforderungen ableiten:
    • - Dauer der Verschiebung: 1 ms
    • - Zeit zwischen zwei Verschiebungen: 70ms
    • - auszugleichender Stellweg: 100µm (objektseitig), 150µm Bildseitig
    • - notwendige Beschleunigung: 5,7m/s2 (entspricht Beschleunigung auf 100mm/s innerhalb von 70ms/4 = 17,5ms)
  • Insbesondere aus der abgeleiteten Beschleunigung wird ersichtlich, dass es vorteilhaft ist, wenn zur Ausgleichsbewegung nicht der gesamte optischen Sensor 18 bewegt wird, sondern lediglich ein Stellelement innerhalb des optischen Sensor 18, weil dabei die Masse des zu bewegenden Objektes möglichst klein gehalten werden kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6031225 A [0014]
    • US 9068831 B2 [0015]

Claims (16)

  1. Koordinatenmessgerät (10) zum Vermessen eines Messobjekts (30), wobei das Koordinatenmessgerät (10) aufweist: - eine Werkstückaufnahme (12) zur Aufnahme des Messobjekts (30); - einen Messkopf (16), der relativ zu der Werkstückaufnahme (12) bewegbar ist und einen optischen Sensor (18) trägt, wobei der optische Sensor einen lichtempfindlichen Detektor (34) und ein optisches System (36) aufweist, wobei das optische System (36) einen Abbildungsbereich des Messobjekts (30) auf den lichtempfindlichen Detektor (34) abbildet, wobei der lichtempfindliche Detektor (34) dazu eingerichtet ist, ein oder mehrere Bilder des Messobjekts (30) aufzunehmen, wobei das optisches System (36) einen Strahlengang (38) von dem Messobjekt (30) zu dem lichtempfindlichen Detektor (34) definiert; und - eine Steuereinrichtung (22), die dazu eingerichtet ist, die Bewegung des Messkopfes (16) relativ zu der Werkstückaufnahme (12) zu steuern und die Bildaufnahme der ein oder mehrere Bilder zu steuern, während sich der Messkopf (16) bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stellelement des optischen Sensors (34), das in dem Strahlengang (38) angeordnet ist, gegenüber dem Strahlengang (38) bewegbar ist, um den Abbildungsbereich lateral zu dem Strahlengang (38) zu bewegen, wobei die Steuereinrichtung (22) dazu eingerichtet ist, die Bewegung des Stellelements während der Bildaufnahme der ein oder mehrere Bilder derart zu steuern, dass sich die Lage des Abbildungsbereichs auf dem Messobjekt nicht verändert.
  2. Koordinatenmessgerät (10) nach Anspruch 1, wobei das Koordinatenmessgerät (10) ein Trägersystem (14) aufweist, das den Messkopf (16) trägt und das dazu ausgebildet ist, den Messkopf (16) zu bewegen.
  3. Koordinatenmessgerät (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der lichtempfindliche Detektor (34) das Stellelement ist und lateral zu dem Strahlengang (38) bewegbar ist, um den Abbildungsbereich zu bewegen.
  4. Koordinatenmessgerät (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optische System (36) in dem Strahlengang (38) eine Planplatte (76) als das Stellelement aufweist, wobei die Planplatte (76) gegenüber dem Strahlengang (38) verkippbar ist, um den Abbildungsbereich zu bewegen.
  5. Koordinatenmessgerät (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optische System (36) in dem Strahlengang (38) eine Linse (74) als das Stellelement aufweist, wobei die Linse (74) lateral bewegbar ist, um den Abbildungsbereich zu bewegen.
  6. Koordinatenmessgerät (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optische System (36) in dem Strahlengang (38) eine Linse (74) als das Stellelement aufweist, wobei die Linse (74) eine Flüssiglinse ist, wobei die Flüssiglinse deformierbar ist, um das von dem Messobjekt (30) kommende Licht gegenüber dem Strahlengang (38) zu verkippen, um den Abbildungsbereich zu bewegen.
  7. Koordinatenmessgerät (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optische System (36) in dem Strahlengang (38) ein Spiegelelement 84) als das Stellelement aufweist, wobei das Spiegelelement (84) gegenüber dem Strahlengang (38) verkippbar ist, um den Abbildungsbereich zu bewegen.
  8. Koordinatenmessgerät (10) nach Anspruch 7, wobei das optische System (36) in dem Strahlengang (38) einen Strahlteiler (88) aufweist, wobei der Strahlteiler (88) derart angeordnet ist, dass er das von dem Messobjekt (30) kommende Licht auf das Spiegelelement (84) richtet und das von dem Spiegelelement (84) reflektierte Licht auf den lichtempfindlichen Detektor (34) richtet.
  9. Koordinatenmessgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Steuereinrichtung (22) dazu eingerichtet ist, den Messkopf (16) mit konstanter Geschwindigkeit in einer Richtung zu bewegen, insbesondere während der Bildaufnahme der ein oder mehreren Bilder.
  10. Koordinatenmessgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuereinrichtung (22) dazu eingerichtet ist, dimensionelle und/oder geometrische Eigenschaften an dem Messobjekt (30) auf Basis der einen oder mehreren aufgenommenen Bilder und der Bewegungen des Messkopfes (16) relativ zu der Werkstückaufnahme (12) und des Stellelements während der Bildaufnahme der einen oder mehreren Bilder zu bestimmen.
  11. Koordinatenmessgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Koordinatenmessgerät (10) eine Beleuchtungsanordnung (40) zum Beleuchten des Messobjekts (16) aufweist.
  12. Koordinatenmessgerät (10) nach Anspruch 11, wobei die Steuereinrichtung (22) dazu eingerichtet ist, die Beleuchtungsanordnung (40) derart zu steuern, dass das Messobjekt (30) zumindest während der Bildaufnahme der ein oder mehreren Bilder beleuchtet wird.
  13. Verfahren (50) zum Vermessen eines Messobjekts (30) mittels eines Koordinatenmessgeräts (10), wobei das Messobjekt (30) in einer Werkstückaufnahme (12) des Koordinatenmessgeräts (10) angeordnet ist, wobei das Verfahren (50) die folgenden Schritte aufweist: - Bewegen (52) eines Messkopfs (16) des Koordinatenmessgeräts (10) relativ zu der Werkstückaufnahme (12), wobei der Messkopf (16) einen optischen Sensor (18) trägt, wobei der optische Sensor (18) einen lichtempfindlichen Detektor (34) und ein optisches System (36) aufweist, wobei das optische System (36) einen Abbildungsbereich des Messobjekts (30) auf den lichtempfindlichen Detektor (34) abbildet, wobei das optisches System (36) einen Strahlengang (38) von dem Messobjekt (30) zu dem lichtempfindlichen Detektor (34) definiert; - Aufnehmen (54) eines oder mehrere Bilder des Messobjekts (30) mittels des lichtempfindlichen Detektors (34), während sich der Messkopf (16) bewegt; - Bewegen (56) eines Stellelements des optischen Sensors (18) während der Bildaufnahme der ein oder mehrere Bilder derart, dass sich die Lage des Abbildungsbereichs auf dem Messobjekt nicht verändert, wobei das Stellelement gegenüber dem Strahlengang (38) bewegt wird, um den Abbildungsbereich lateral zu dem Strahlengang zu bewegen.
  14. Verfahren (50) nach Anspruch 13, wobei das Verfahren (50) des Weiteren den folgenden Schritt aufweist: - Bestimmen (60) dimensioneller und/oder geometrischer Eigenschaften an dem Messobjekt (30) auf Basis der einen oder mehreren aufgenommenen Bilder und der Bewegungen des Messkopfes (16) relativ zu der Werkstückaufnahme (12) und des Stellelements während der Bildaufnahme der einen oder mehreren Bilder.
  15. Verfahren (50) nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Verfahren (50) des Weiteren den folgenden Schritt aufweist: - Beleuchten (58) des Messobjekts (30) mittels einer Beleuchtungsanordnung (40) des Koordinatenmessgeräts (10), während die ein oder mehreren Bilder aufgenommen werden.
  16. Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Programmcodemittel zur Durchführung des Verfahrens (50) nach einem der Ansprüche 13 bis 15 aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Koordinatenmessgerät (10) ausgeführt wird.
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