WO2010025712A1 - Verfahren zur bewertung von messwerten eines optischen abstandssensors - Google Patents

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WO2010025712A1
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light beam
measuring
measuring point
distance
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PCT/DE2009/001234
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Tobias Otto
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Micro-Epsilon Optronic Gmbh
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    • G01B21/04—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/46—Indirect determination of position data
    • G01S17/48—Active triangulation systems, i.e. using the transmission and reflection of electromagnetic waves other than radio waves

Definitions

  • the invention relates to a method for evaluating measured values of an optical distance sensor, wherein the measured values are obtained by optical scanning of a measuring object by means of a light beam and wherein the distance between the measuring point and the light beam reflected at a measuring point on the measuring object and detected by the distance sensor Distance sensor is determined.
  • optical distance sensors are often used for measuring distances of the sensor to a measurement object or for measuring surface profiles.
  • a light beam is generated here by means of a laser, which is directed onto a measurement object.
  • the light beam reflects on the surface of the measurement object and is detected by a detector or a detector array of the sensor.
  • detector arrays are used in the form of row or area arrays.
  • triangulation sensors are known in which a triangle is spanned by the light source, the illuminated measuring point and the illuminated area on the detector.
  • the light beam leaves the sensor at a defined angle, strikes the target and is reflected at its surface.
  • the detected light strikes at different locations on the detector. From the position of the light spot on the detector can be deduced the distance of the measuring point from the sensor.
  • the relationship between light spot on the detector and distance is mostly obtained from calibration measurements.
  • the reflected light beam is generally not detected by only a single element of the detector array, but encounters several elements. For determining the distance, therefore, the center of gravity of the illuminated elements is determined and used as the basis for determining the distance.
  • the known systems work well when there are static measurement situations, ie when there are no relative movements between the sensor and the measurement object during a measurement. However, these systems are problematic when a measurement object is to be scanned continuously, that is to say when the illumination light beam is moved over a measurement object or when the measurement object moves or rotates when the illumination light beam is stationary.
  • the present invention is therefore based on the object to design a method of the type mentioned and further, that information about the reliability of measured values of an optical distance sensor can be provided.
  • the above object is solved by the features of claim 1.
  • the method in question is characterized in that in addition to the distance of the measuring point, the intensity of the light reflected at the measuring point and detected by the distance sensor light beam is determined and that by evaluating the temporal or spatial course of the intensity across several further measuring points away a rating of the measured value is carried out at the measuring point.
  • an evaluation of the distance values can be achieved in a simple manner.
  • the intensity of the light beam detected by the distance sensor is utilized and evaluated. Namely, the intensity of the light beam reflected on the measurement object depends on the particular nature of the surface of the measurement object.
  • Temporal progression means the course of the intensity which is measured at a detector of the distance sensor over one or more elements of the detector at different times.
  • the term local course denotes an intensity profile in which the location of a measuring point on the surface of the measuring object is taken into account.
  • the local course is generally calculated from a time course using the knowledge about a scanning movement, ie the temporal change of the location of a measuring point on the surface of the measuring object. Both the temporal course and the local course are - when displayed in a diagram - two-dimensional functional courses that change with time.
  • the temporal change is produced by scanning the surface, in which the illumination light beam is moved over the measurement object or the measurement object in the case of a stationary illumination light beam.
  • the temporal and spatial characteristics of a scan include intensity values obtained at multiple measurement points on the surface of the measurement object in the vicinity of the currently-to-be-evaluated measurement point. This one to be evaluated by the Measuring point different measuring points are referred to as further measuring points below.
  • the currently evaluated measuring point is generally referred to below as the measuring point.
  • the intensity of the detected light beam then assumes a maximum when the illumination point covers the measurement object centrally, i. a maximum proportion of the light beam is reflected at the surface of the measurement object to the detector.
  • the method according to the invention also works when only the central regions of the light beam are reflected and the edge regions, for example in the case of a narrow measurement object or a narrow ridge on the measurement object, pass the measurement object. Again, the intensity of the detected light beam will assume a maximum when the light beam covers the measurement object centrally. From the information on how an illumination light beam is reflected on the measurement object, i. Whether complete or partial reflection or whether a high or low reflection coefficient is present at the respective measuring point, conclusions can be drawn as to how reliable a measured value is at a measuring point. With the intensity values and their temporal or spatial progression, therefore, according to the invention, there is an evaluation criterion which allows statements about the quality and reliability of the measured values.
  • the several further measuring points are consulted and the temporal or spatial progression of the intensity is evaluated over these several further measuring points.
  • the several further measuring points are likewise points of the surface of the measuring object and different from the measured value currently to be evaluated.
  • the distance between the measuring point and the distance sensor is determined at each of the further measuring points, and at the same time the intensity of the light beam detected in the detector of the distance sensor is determined. These values are used to assess the quality of a distance measurement at a particular measurement point.
  • the plurality of further measuring points are in the immediate vicinity of the measuring point.
  • the several other measuring points can lie on a line along which the surface of the measuring object is scanned.
  • these can also be points in the neighborhood of the current measurement point include, ie that the other measuring points are distributed on a two-dimensional area, but in the immediate vicinity of the current measuring point. This could be the case, for example, if the object to be measured is illuminated linearly and not only at certain points.
  • the term "measurement point" would also refer to only a single point or a line on the surface of the measurement object The embodiments in the present description apply correspondingly to "linear measurement points".
  • a derivative is additionally formed for improved evaluation of the course of the intensity.
  • the derivative may include a derivative by location or a derivative by time. Especially with uniform scan movements, the derivative provides a good weighting criterion over time. By deriving the intensity measurement errors due to the scan movement can be effectively detected. If an illumination light beam emitted by the distance sensor moves, for example, toward a particularly well reflecting region of the surface of the measurement object, the intensity of the reflected light beam detected at the distance sensor increases continuously until the illumination light beam completely covers the particularly well reflecting region. Upon leaving the particularly well-reflective region, the intensity of the detected light beam reduces again and returns to the initial intensity value.
  • an actually plane surface appears to have a profile, which results in a change in the measured value of the distance.
  • the area can be detected with a strongly changing reflection rate. If, in fact, there were a change in the distance, ie the measurement object actually has a structuring at this point, then the intensity signal and its derivative would behave differently.
  • an evaluation criterion can be determined which provides information about the reliability of the measured values of the distance sensor.
  • the characteristic width of the course of the intensity of the detected light beam on the detector of the distance sensor can be used.
  • a filtering of the measured values can be carried out. This could be carried out on the basis of a plurality of intensity values, wherein the plurality of intensity values are determined at a plurality of the further measuring points in the vicinity of the measuring point. Since a movement of an illumination light beam over the measurement object will lead to a relatively continuous change in intensity even in the case of strongly discontinuous measurement objects, measured values which deviate greatly from the adjacent measurement values are generally subject to error. These strongly deviating readings could be filtered out or marked as particularly unreliable. Here, the extent of the deviation could be used to assess the reliability of the measured value. Slightly different measured values are more reliable than measured values which deviate very much from the adjacent measured values.
  • Exposure time at the sensor can be taken into account when evaluating the measured values.
  • Exposure time in this context is understood to be the time duration during which the light reflected at the measuring point is received by the detector of the distance sensor.
  • the exposure time is readjusted by common optical distance sensors as a function of the measurement situation, so that even with low reflection, a sufficient sensor signal is still available. As a result, the peak height changes depending on the exposure time.
  • the exposure time is adjusted, the intensity values at different measuring points are not directly comparable, since exposure times at the measuring points can differ in each case. This results from an interaction between exposure time and sampling rate. If the exposure time changes with continuous scanning, ie continuous measurement values are obtained, the sampling interval and thus the sampling rate change with the exposure time.
  • the intensity values could be corrected according to the exposure time and the location of the measurement point could be assigned as a function of the exposure time.
  • further adjustments to the sensor could occur, distorting the readings.
  • the measured values can also be evaluated in these cases according to their exposure time.
  • the measured intensity of the detected light beam could be normalized to the amount of light emitted by the distance sensor light beam.
  • the course of the intensity of the detected light beam can be scaled by a mathematical function.
  • linear and non-linear functions can be advantageously used.
  • a root function is used, in which the square root of the intensity signal is formed.
  • a root function waveform is developed whose derivative is proportional to the measurement error and then assumes a value equal to zero when the actual distance between the measurement object and the distance sensor is reached.
  • combining the scaling with a root function and a derivative results in an evaluation of the measured values, which are particularly reliable when the derivative of the root from the intensity signal becomes zero or at least approaches zero.
  • the associated distance value can be highly trusted.
  • the intensity at this time is not equal to zero. If the value of the derivative of the root from the intensity profile is not equal to zero, the value is a measure of the measurement error. The larger the value, the greater the measurement error. Studies with triangulation sensors have shown that when scanning burrs or areas with high reflectivity, the value of the derivative of the root function is approximately proportional to the measurement error.
  • a correction of the measured value can be carried out.
  • a correction factor or a correction element is tuned from the measure, with the aid of which the measured value is corrected by addition or multiplication.
  • the correction of readings could be limited to the readings that have a minimum of reliability. Very unreliable measured values can often only be corrected very inaccurately.
  • a measured value belonging to a measuring point can be discarded if the evaluation determines a value which lies below a definable limit. As a result, particularly unreliable measured values can not influence the overall result.
  • measured values based on their evaluation can indeed be retained but only to a small extent incorporated into the overall result of the measurement.
  • the score may be stored for each measurement that is not discarded. In this way, there is a value for every measured value that documents the reliability of the measured value.
  • the method according to the invention is preferably used when scanning a test object.
  • the measurement object is scanned along a path, wherein the distance sensor or the measurement object is moved in such a way that the measurement points lie on the projection of the path onto the surface of the measurement object, with a projection in the direction of the illumination light beam.
  • the measurement object or the distance sensor is located on one plane or on the other. at least on an easily definable, geometric surface (for example, a section of a spherical surface) is moved.
  • the web is linear, circular, spiral or meandering. Other easily writable curves and tracks can be used advantageously.
  • the trajectory should be deterministic so that a geometric description for the evaluation of the intensity measured at the detector is made possible.
  • the method according to the invention is preferably used in the evaluation of measured values of an optical distance sensor which operates on the triangulation principle.
  • the light source of the distance sensor, the currently illuminated measuring point on the surface of the measuring object and the detector of the distance sensor form a triangle.
  • the light beam emitted at a defined angle from the light source of the distance sensor is reflected at the measuring point on the surface of the measurement object and detected by the detector. From the distance between the light source and the illuminated point on the detector can be closed to the height of the triangle formed by the light source, measuring point and illuminated point. In this way, the distance between distance sensor and measuring point can be determined.
  • the determination of the distance based on stored data should be made from calibration measurements. From this data, a relationship is established between an illuminated point of the detector and the distance to the measurement object.
  • the light beam emitted by the optical distance sensor is formed by a laser beam. These have the optical properties to ensure a reliable measurement situation.
  • the method according to the invention can be used when scanning structured measuring objects, discontinuous measuring objects (for example grating structures) or measuring objects with strongly fluctuating reflection coefficients. It is even possible to measure highly structured measurement objects with equally strongly fluctuating reflection coefficients.
  • the aforementioned measuring objects can not be reliably measured with measuring methods known from the prior art.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an exemplary measurement situation in which a method according to the invention can be used when scanning the surface of a measurement object with a different reflection coefficient
  • FIG. 2 shows a diagram with the intensity distribution of the projected light spot on the surface of the measurement object in the measurement situation according to FIG. 1, FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing the reflectivity of the surface of the measuring object and the direction of movement relative to the projected light spot of FIG. 2,
  • FIG. 4 shows various diagrams with the determined distance (FIG. 4A), the intensity of the detected light beam (FIG. 4B above), the derivation of the intensity (FIG. 4B below) and the correction of the determined distance (FIG. 4C), FIG.
  • FIG. 6 shows a diagram with measured values according to FIG. 5, which are classified as valid using a method according to the invention
  • FIG. 7 shows a diagram with distance measured values (upper part) and measured intensity values (lower part), in which an evaluation and selection of distance values was carried out with a method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a typical measurement situation in which a method according to the invention can be used.
  • An optical distance sensor 1 emits by means of a light source 2 an illuminating light beam 3 (illumination light beam), which meets at a measuring point 8 on a surface 4 of a measuring object 5 and is reflected there as a reflected light beam 6 back towards the distance sensor 1.
  • the reflected light beam 6 is detected after passing a lens 11 (or generally optics) through a detector array 7. From the illuminated point on the detector array 7, the distance A between the distance sensor 1 and the measuring point 8 is concluded in the illustrated measuring situation using data from calibration measurements.
  • FIG. 2 shows an intensity profile of the light spot generated by the illumination light beam 3 on the surface 4 of the measurement object 5.
  • a similar distribution arises on the detector array 7. If the characteristic width of the intensity on the detector array 7 is wider than a single element of the detector array (which is practically always the case), the center of gravity of the illuminated elements is determined to determine the distance A. The center of gravity is evaluated as the point of impact of the projected light beam 6 on the detector array 7, and from this the distance A to the measuring point 8 on the surface 4 of the test object 5 is determined.
  • the measurement situation described above poses no problems as long as there are static measurement situations or relatively planar and homogeneously reflecting measurement objects.
  • a measurement error arises in the distance signal.
  • the measurement object 5 is displaced along the axis x and has a location with a reflection coefficient increased in comparison to the environment. If the illumination light beam 3 strikes a region with high reflectivity, this region is reflected better than in the previously scanned regions of the surface 4. This has the consequence that the previously homogeneously reflected light spot is first reflected better at the edge of the area with high reflectivity before.
  • the center of gravity determination provides another focus on the detector array 7 than with homogeneous reflectivity.
  • a constant distance A between the distance sensor 1 and the measuring object 5 this results in a change in the measured value of the distance.
  • the distance determined in this way is shown in Fig. 4A.
  • the actual distance A 0 seems to reduce during the movement in the better reflective point and then increase again. This creates a supposed change in distance during movement and it is concluded that a groove with a subsequent burr on the surface of the test object, even if a flat surface is present. It can be seen that the actual distance is measured only when the light spot exactly covers the point with high reflectivity and thus the intensity of the detected. Beam of light assumes its maximum.
  • the intensity profile of the light beam 6 detected in the detector array 7 is reproduced in the upper half of the diagram.
  • the intensity I (x (t)) detected at the detector array 7 increases continuously. This is done in dependence on the extent to which the region with high reflectivity is covered by the illumination spot formed by the illumination light beam 3 at the measuring point 8.
  • the intensity l (x (t)) then reaches its maximum when the illumination spot covers the region of high reflectivity centrally. Thereafter, the intensity of the reflected light beam decreases again as the illumination spot leaves the high reflectivity area.
  • the basic intensity I 0 is taken up again.
  • an intensity profile l (x (t)) is formed in the form of a Gaussian bell.
  • the derivative of the intensity I (x (t)) according to the path over the path x (t) is shown.
  • the error in the distance signal shows a dependence on the derivative of the intensity I (x (t)).
  • the error in the measurement signal of the distance at different points x (t) can be determined from the derivative of the intensity signal l (x (t)).
  • the intensity signal is scaled with a root function. This results in the evaluation criterion as the function: dx
  • This function has a proportionality to the measurement error, so that an immediate correction of the measured value and a compensation of the measurement error are possible from this.
  • a corrected distance signal z '(x (t)) is shown in FIG. 4C.
  • the uncorrected distance measurement values z (x (t)) from FIG. 4A are again shown in FIG. 4C for a direct comparison.
  • the jagged curve shown in the region of the curve represents the corrected distance signal z '(x (t)). It can be clearly seen that by using the intensity, the measured values can be corrected very well.
  • Figures 5 and 6 relate to a further application of a method according to the invention in the measurement of a measurement object.
  • Fig. 5 shows the raw values resulting from a distance measurement.
  • a structured measurement object with many narrow ridges arranged in a lattice structure is scanned with a triangulation sensor according to FIG.
  • Fig. 5 shows the time course of the errored distance values.
  • Fig. 6 shows distance values which have been classified as trustworthy by a method according to the invention.
  • the raw values according to FIG. 5 are evaluated using the intensity values and untrustworthy measured values are rejected.
  • FIG. 6 clearly shows the global contour of the web structure, whereas in FIG. 5 no information about the contour appears to be contained.
  • FIG. Fig. 7 shows a smaller portion of a web structure similar to the measured in Fig. 5 web structure.
  • FIG. 7 is based on a different measurement profile than FIG. 5/6.
  • the vertical lines visible on the sub-segments of the measured-value curve indicate measured values which are obtained by passing the Beam of light to be caused past the webs of the web structure.
  • the measuring object has a hole, while the webs are represented by the lines of the sub-segments.
  • the breakouts 10 indicate a crossing point between two webs of the lattice structure.
  • the upper part of FIG. 7 thus shows faulty measured values of a distance sensor of a known measurement object.
  • the intensity values of the light beam detected at the detector array 7 are reproduced. It can be clearly seen that the intensity is subject to strong fluctuations depending on the illuminated measuring point on the measuring object. In the areas of a gap between the lands, the intensity decreases to a minimum near zero. At the footbridges, the intensity increases to a maximum.
  • the measured values shown in FIG. 7 were subjected to evaluation using a method according to the invention.
  • the quality criterion used is the temporal or spatial distance of a measuring point from the centroid or maximum of an intensity peak and / or the characteristic width of the intensity peak.
  • a measuring point is selected at each bar, which is rated as representative for the bar.
  • the measuring point is used at which the intensity assumes a maximum.
  • this maximum must be a sufficiently isolated maximum. If the intensity in the area around the maximum does not fall below a threshold value, then the next maximum is examined. An isolated maximum indicates that the illumination spot covers a central ridge.
  • the measuring points at which the intensity values assume a maximum are rated as particularly reliable, while the remaining measured values are discarded.
  • the selected reading or measurements are taken as representative of the distance between the distance sensor and the bridge.
  • the selected values are reproduced slightly lighter in the upper area of FIG. 7 and are identified by the reference numeral 9 for better recognition. Investigations have confirmed that in this way a very good accuracy of the scanned distance values can be achieved.
  • three individual intensity values with a predetermined or automatically adjusted point distance for width selection and position determination of the intensity peak can be used in the evaluation or in a partial evaluation step after suitable filtering.
  • the sum of the intensities of the first and third measuring points normalized to the intensity of the second measuring point is compared with a threshold value.
  • the amount of the difference between the intensities of the first and third measuring points normalized to the intensity of the second measuring point is compared with a threshold value.

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Abstract

Ein Verfahren zur Bewertung von Messwerten eines optischen Abstandssensors (1), wobei die Messwerte durch optische Abtastung eines Messobjekts (5) mittels eines Lichtstrahls (3) gewonnen werden und wobei aus dem an einem Messpunkt (8) auf dem Messobjekt (5) reflektierten und durch den Abstandssensor (1) detektierten Lichtstrahl (6) der Abstand zwischen Messpunkt (8) und Abstandssensor (1) bestimmt wird, ist im Hinblick auf eine Bereitstellung von Informationen über die Verlässlichkeit von Messwerten dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Abstand des Messpunkts (8) die Intensität (I) des an dem Messpunkt (8) reflektierten und durch den Abstandssensor detektierten Lichtstrahls (6) bestimmt wird und dass durch Auswertung des zeitlichen oder räumlichen Verlaufs der Intensität (I) über mehrere weitere Messpunkte hinweg eine Bewertung des Messwerts an dem Messpunkt (8) durchgeführt wird.

Description

VERFAHREN ZUR BEWERTUNG VON MESSWERTEN EINES OPTISCHEN ABSTANDSSENSORS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung von Messwerten eines optischen Abstandssensors, wobei die Messwerte durch optische Abtastung eines Messobjekts mittels eines Lichtstrahls gewonnen werden und wobei aus dem an einem Messpunkt auf dem Messobjekt reflektierten und durch den Abstandssensor detek- tierten Lichtstrahl der Abstand zwischen Messpunkt und Abstandssensor bestimmt wird.
In der Praxis werden häufig optische Abstandssensoren zur Messung von Abständen des Sensors zu einem Messobjekt oder zum Vermessen von Oberflächenprofilen verwendet. Häufig wird hierbei mittels eines Lasers ein Lichtstrahl erzeugt, der auf ein Messobjekt gelenkt wird. Der Lichtstrahl reflektiert an der Oberfläche des Messobjekts und wird von einem Detektor oder einem Detektorarray des Sensors detektiert. Meist kommen Detektorarrays in Form von Zeilen- oder Flächenarrays zum Einsatz.
Zur Bestimmung des Abstands werden in der Praxis verschiedene Verfahren eingesetzt. So sind Triangulationssensoren bekannt, bei denen durch die Lichtquelle, den beleuchteten Messpunkt und den beleuchteten Bereich auf dem Detektor ein Dreieck aufgespannt wird. Dabei verlässt der Lichtstahl unter definiertem Winkel den Sensor, trifft auf das Messobjekt und wird an dessen Oberfläche reflektiert. Je nach Abstand des Messobjekts vom Sensor trifft das detektierte Licht an unterschiedlichen Stellen auf dem Detektor auf. Aus der Position des Lichtpunkts auf dem Detektor kann auf die Entfernung des Messpunkts von dem Sensor geschlossen werden. Die Beziehung zwischen Lichtpunkt auf dem Detektor und Entfernung wird meist aus Kalibrierungsmessungen gewonnen.
Der reflektierte Lichtstrahl wird bei Verwendung eines Detektorarrays im Allgemeinen nicht lediglich von einem einzigen Element des Detektorarrays detektiert, sondern trifft auf mehrere Elemente. Zur Bestimmung des Abstands wird daher der Schwerpunkt der beleuchteten Elemente bestimmt und als Grundlage für die Abstandsbestimmung herangezogen. Die bekannten Systeme arbeiten gut, wenn statische Messsituationen vorliegen, d.h. wenn keine Relativbewegungen zwischen Sensor und Messobjekt während einer Messung vorhanden sind. Problematisch sind diese Systeme jedoch, wenn ein Messobjekt kontinuierlich gescannt werden soll, also der Beleuchtungslichtstrahl über ein Messobjekt bewegt wird oder sich das Messobjekt bei ortsfestem Beleuchtungslichtstrahl bewegt oder dreht. Hier kommt es zu Messfehlern, wenn der Lichtstrahl das Messobjekt lediglich teilweise trifft und ein Teil des Lichtstrahls das Messobjekt passiert oder wenn das Messobjekt einen ortsabhängigen Reflexionskoeffizienten, beispielsweise infolge einer Strukturierung oder an Bereichen der Oberfläche mit unterschiedlichen Helligkeiten, aufweist. Bei der Schwerpunktbildung ergeben sich dann zu kleine oder zu große Abstandswerte, abhängig von der Bewegungsrichtung des scannenden Lichtstrahls relativ zum Messobjekt. Infolgedessen ergibt sich in dem Messsignal eine scheinbare Abstandsänderung, auch wenn sich das Messobjekt in einem konstanten Abstand zu dem Sensor befindet. Dadurch verlieren die Messwerte an Verlässlichkeit, was insbesondere bei stark strukturierten Messobjekten ein nicht hinnehmbares Ausmaß annimmt.
Zur Verbesserung der Verwertbarkeit der Messwerte ist daher eine Bewertung der Messwerte notwendig. Hierzu sind jedoch aus dem Stand der Technik keine zuverlässigen und einfach anwendbaren Verfahren bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass Informationen über die Verlässlichkeit von Messwerten eines optischen Abstandssensors zur Verfügung gestellt werden können.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist das in Rede stehende Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Abstand des Messpunkts die Intensität des an dem Messpunkt reflektierten und durch den Abstandssensor detektierten Lichtstrahls bestimmt wird und dass durch Auswertung des zeitlichen oder räumlichen Verlaufs der Intensität über mehrere weitere Messpunkte hinweg eine Bewertung des Messwerts an dem Messpunkt durchgeführt wird. Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass auf einfache Art und Weise eine Bewertung der Abstandswerte erreicht werden kann. Hierzu wird erfindungsgemäß neben den mit dem Abstandssensor gewonnenen Abstandsinformationen die Intensität des durch den Abstandssensor detektierten Lichtstrahls genutzt und ausgewertet. Die Intensität des am Messobjekt reflektierten Lichtstrahls hängt nämlich von der jeweiligen Beschaffenheit der Oberfläche des Messobjekts ab. Besser reflektierende Bereiche der Oberfläche erzeugen eine höhere Intensität des reflektierten Lichtstrahls als schlechter oder diffus reflektierende Oberflächenteile. Lediglich teilweise reflektierte und teilweise das Messobjekt passierende Beleuchtungslichtstrahlen werden eine geringere Intensität am Detektor aufweisen als vollständig reflektierte Lichtstrahlen. Somit wirken sich starke Schwankungen im Reflektions- koeffizienten der Oberfläche des Messobjekts ebenso auf die Intensität des reflektierten Lichtstrahls aus wie teilweise Reflektionen. Diese Auswirkungen sind direkt in der Intensität erkennbar.
Erfindungsgemäß ist ferner erkannt worden, dass die in der Intensitätsänderung enthaltenen Informationen relativ einfach aus dem zeitlichen oder örtlichen Verlauf der Intensität extrahierbar sind. Zeitlicher Verlauf meint den Verlauf der Intensität, der an einem Detektor des Abstandssensors über eine Zeile oder mehrere Elemente des Detektors hinweg zu unterschiedlichen Zeiten gemessen wird. Der Begriff örtlicher Verlauf bezeichnet einen Intensitätsverlauf, bei dem der Ort eines Messpunkts auf der Oberfläche des Messobjekts Berücksichtigung findet. Der örtliche Verlauf wird im Allgemeinen aus einem zeitlichen Verlauf unter Verwendung des Wissens über eine Scanbewegung, d.h. der zeitlichen Veränderung des Ortes eines Messpunkts auf der Oberfläche des Messobjekts, berechnet. Sowohl der zeitliche Verlauf als auch der örtliche Verlauf sind somit - bei Widergabe in einem Diagramm - zweidimensionale Funktionsverläufe, die sich in Abhängigkeit von der Zeit ändern. Die zeitliche Veränderung entsteht durch Abscannen der Oberfläche, bei der der Beleuchtungslichtstrahl über das Messobjekt oder das Messobjekt bei einem ortsfesten Beleuchtungslichtstrahl bewegt wird. Somit beinhalten der zeitliche und der örtliche Verlauf bei einem Scanvorgang Intensitätswerte, die an mehreren Messpunkten auf der Oberfläche des Messobjekts in der Umgebung des aktuell zu bewertenden Messpunkts gewonnen werden. Diese von dem zu bewertenden Messpunkt verschiedenen Messpunkte sind nachfolgend als weitere Messpunkte bezeichnet. Der aktuell zu bewertende Messpunkt ist nachfolgend allgemein mit Messpunkt bezeichnet.
Die Intensität des detektierten Lichtstrahls nimmt dann ein Maximum an, wenn der Beleuchtungspunkt das Messobjekt zentral abdeckt, d.h. ein maximaler Anteil des Lichtstrahls an der Oberfläche des Messobjekts zum Detektor reflektiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert auch dann, wenn lediglich die zentralen Bereiche des Lichtstahls reflektiert werden und die Randbereiche, beispielsweise bei einem schmalen Messobjekt oder einem schmalen Grat auf dem Messobjekt, an dem Messobjekt vorbeigehen. Auch hier wird die Intensität des detektierten Lichtstrahls ein Maximum annehmen, wenn der Lichtstrahl das Messobjekt zentral abdeckt. Aus den Informationen, in welcher Weise ein Beleuchtungslichtstrahl an dem Messobjekt reflektiert wird, d.h. ob an dem jeweiligen Messpunkt vollständige oder teilweises Reflektion oder ob ein hoher oder niedriger Reflektionskoeffizient vorliegt, können Rückschlüsse gezogen werden, wie zuverlässig ein Messwert an einem Messpunkt ist. Mit den Intensitätswerten und deren zeitlichem oder räumlichem Verlauf liegt daher erfindungsgemäß ein Bewertungskriterium vor, das Aussagen über die Qualität und Verlässlichkeit der Messwerte erlaubt.
Bei der Bewertung eines Messwerts werden mehrere weitere Messpunkte hinzugezogen und hierbei der zeitliche oder räumliche Verlauf der Intensität über diese mehrere weitere Messpunkte hinweg ausgewertet. Die mehreren weiteren Messpunkte sind ebenso Punkte der Oberfläche des Messobjekts und von dem aktuell auszuwertenden Messwert verschieden. Generell werden an den weiteren Messpunkten jeweils der Abstand zwischen Messpunkt und Abstandssensor bestimmt und gleichzeitig die Intensität des bei dem Detektor des Abstandssensors detektierten Lichtstrahls bestimmt. Diese Werte werden zur Beurteilung der Qualität eines Abstandsmesswerts an einem bestimmten Messpunkt herangezogen.
Vorzugsweise befinden sich die mehreren weiteren Messpunkte in der unmittelbaren Umgebung des Messpunkts. Die mehreren weiteren Messpunkte können auf einer Linie liegen, entlang der die Oberfläche des Messobjekts abgescannt wird. Allerdings können diese auch Punkte in der Nachbarschaft des aktuellen Messpunkts umfassen, d.h. dass die weiteren Messpunkte auf einem zweidimensionalen Bereich verteilt sind, jedoch in unmittelbarer Nähe des aktuellen Messpunkts. Dies könnte beispielsweise dann der Fall sein, wenn das Messobjekt linienförmig und nicht lediglich punktuell beleuchtet wird. Entsprechend einer punkt- oder linienförmigen Beleuchtung würde der Begriff „Messpunkt" auch lediglich einen einzelnen Punkt oder eine Linie auf der Oberfläche des Messobjekts bezeichnen. Die Ausführungen in der vorliegenden Beschreibung gelten für „linienförmige Messpunkte" entsprechend.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zur verbesserten Auswertung des Verlaufs der Intensität zusätzlich eine Ableitung gebildet. Die Ableitung kann eine Ableitung nach dem Ort oder eine Ableitung nach der Zeit umfassen. Insbesondere bei gleichförmigen Scanbewegungen liefert die Ableitung nach der Zeit ein gutes Bewertungskriterium. Mittels der Ableitung der Intensität können Messfehler infolge der Scanbewegung wirkungsvoll erkannt werden. Bewegt sich ein von dem Abstandssensor ausgesandter Beleuchtungslichtstrahl beispielsweise auf einen besonders gut reflektierenden Bereich der Oberfläche des Messobjekts zu, so nimmt die Intensität des reflektierten und am Abstandssensor detektieren Lichtstrahls kontinuierlich zu, bis der Beleuchtungslichtstrahl vollständig den besonders gut reflektierenden Bereich abdeckt. Beim Verlassen des besonders gut reflektierenden Bereichs reduziert sich die Intensität des detektierten Lichtstrahls wieder und kehrt auf den anfänglichen Intensitätswert zurück. Wird zur Abstandsmessung eine Schwerpunktbildung über mehrere beleuchtete Elemente des Detektorarrays vorgenommen, so scheint eine eigentlich plane Oberfläche ein Profil aufzuweisen, was in einer Änderung des Messwertes des Abstandes resultiert. Durch Verwendung der Ableitung der Intensität kann der Bereich mit sich stark ändernder Reflektionsrate erkannt werden. Bestünde tatsächlich eine Abstandsänderung, d.h. das Messobjekt weist tatsächlich einen Strukturierung an dieser Stelle auf, so würde sich das Intensitätssignal und dessen Ableitung anders verhalten. Damit kann mittels der Ableitung des Verlaufs der Intensität ein Bewertungskriterium bestimmt werden, das Auskunft über die Verlässlichkeit der Messwerte des Abstandssensors gibt. AIs zusätzlich oder alternativ verwendetes Bewertungskriterium kann die charakteristische Breite des Verlaufs der Intensität des detektierten Lichtstrahls auf dem Detektor des Abstandssensors herangezogen werden.
Hinsichtlich einer weiteren Bewertung der Messwerte kann eine Filterung der Messwerte durchgeführt werden. Dies könnte anhand mehrerer Intensitätswerte durchgeführt werden, wobei die mehreren Intensitätswerte an mehreren der weiteren Messpunkte in der Umgebung des Messpunkts bestimmt werden. Da sich bei Bewegung eines Beleuchtungslichtstrahls über das Messobjekt selbst bei stark diskontinuierlichen Messobjekten eine relativ kontinuierliche Veränderung der Intensität einstellen wird, sind Messwerte, die stark von den benachbarten Messwerten abweichen, im Allgemeinen fehlerbehaftet. Diese stark abweichenden Messwerte könnten herausgefiltert oder als besonders unzuverlässig gekennzeichnet werden. Hier könnte das Ausmaß der Abweichung genutzt werden, um die Verlässlichkeit des Messwertes zu bewerten. Geringfügig abweichende Messwerte sind verlässlicher als Messwerte, die in sehr starkem Maße von den benachbarten Messwerten abweichen.
Darüber hinaus kann die Belichtungszeit am Sensor bei der Bewertung der Messwerte berücksichtigt werden. Unter Belichtungszeit wird in diesem Zusammenhang die Zeitdauer verstanden, während der das an dem Messpunkt reflektierte Licht von dem Detektor des Abstandssensors empfangen wird. Die Belichtungszeit wird durch gängige optische Abstandssensoren in Abhängigkeit der Messsituation nachgeregelt, so dass selbst bei geringer Reflexion noch ein ausreichendes Sensorsignal zur Verfügung steht. Dadurch verändert sich in Abhängigkeit der Belichtungszeit die Peakhöhe. Andererseits sind bei Anpassung der Belichtungszeit die Intensitätswerte an verschiedenen Messpunkten nicht direkt vergleichbar, da sich Belichtungszeiten an den Messpunkten jeweils unterscheiden können. Dies resultiert aus einer Wechselwirkung zwischen Belichtungszeit und Abtastrate. Ändert sich die Belichtungszeit bei lückenloser Abtastung, d.h. es werden kontinuierlich Messwerte gewonnen, so ändert sich mit der Belichtungszeit das Abtastintervall und damit die Abtastrate. Ändert sich die Belichtungszeit bei Abtastung mit konstanter Abtastrate, können Lücken zwischen den vermessenen Punkten oder Bereichen auf der Oberfläche des Messobjekts entstehen, nämlich dann, wenn die Belichtungszeit kürzer ist als das Abtastintervall. Daher könnten die Intensitätswerte entsprechend der Belichtungszeit korrigiert werden und eine Zuordnung des Ortes des Messpunktes in Abhängigkeit der Belichtungszeit erfolgen. Zusätzlich könnten während langer Belichtungszeiten weitere Anpassungen an den Sensor stattfinden, die die Messwerte verfälschen. Die Messwerte können auch in diesen Fällen entsprechend ihrer Belichtungszeit bewertet werden.
Zur Vermeidung einer Abhängigkeit von der Lichtmenge des durch den Abstandssensor ausgesandten Lichtstrahls könnte die gemessene Intensität des detektierten Lichtstrahls auf die Lichtmenge des durch den Abstandssensor ausgesandten Lichtstrahls normiert werden. Dadurch können bewusste oder in Folge von Spannungsoder sonstigen Schwankungen auftretende Änderungen der durch den Abstandssensor abgestrahlten Lichtmenge in dem Intensitätsverlauf berücksichtigt werden, ohne dass sich diese Änderungen auf die verwendeten Intensitätswerte auswirkt.
Vorteilhafter Weise kann der Verlauf der Intensität des detektierten Lichtstrahls durch eine mathematische Funktion skaliert werden. Hier können sowohl lineare als auch nicht-lineare Funktionen in vorteilhafter Weise eingesetzt werden. Besonders bevorzugter Weise kommt eine Wurzelfunktion zum Einsatz, bei der die Quadratwurzel des Intensitätssignals gebildet wird. Bei vielen Scanvorgängen, insbesondere bei Überstreichen eines Grates oder eines Bereichs mit hoher Reflektivität, entsteht ein Verlauf der Wurzelfunktion, dessen Ableitung proportional zu dem Messfehler ist und genau dann einen Wert gleich Null annimmt, wenn der tatsächliche Abstand zwischen Messobjekt und Abstandssensor erreicht ist. Auf diese Weise entsteht durch Kombination der Skalierung mit einer Wurzelfunktion und einer Ableitung eine Beurteilung der Messwerte, die dann besonders zuverlässig sind, wenn die Ableitung der Wurzel aus dem Intensitätssignal gleich Null wird oder zumindest nahe Null annimmt. Dem zugehörenden Abstandswert kann in hohem Maße vertraut werden. Voraussetzung hierfür ist verständlicher Weise, dass die Intensität zu diesem Zeitpunkt ungleich Null ist. Ist der Wert der Ableitung der Wurzel aus dem Intensitätsverlauf ungleich Null, so liegt mit dem Wert ein Maß für den Messfehler vor. Je größer der Wert ist, desto größer ist der Messfehler. Untersuchungen mit Triangulationssensoren haben gezeigt, dass beim Abscannen von Graten oder Bereichen mit hoher Reflektivität der Wert der Ableitung der Wurzelfunktion annähernd proportional zum Messfehler ist.
Entsprechend dem aus der Bewertung des Messwerts gewonnenen Maß kann eine Korrektur des Messwertes durchgeführt werden. Hierzu wird aus dem Maß ein Korrekturfaktor oder ein Korrekurelement gestimmt, mithilfe dessen der Messwert durch Addition oder Multiplikation korrigiert wird. Auf diese Weise liegt nicht nur eine Beurteilung der Messwerte hinsichtlich ihrer Verlässlichkeit vor, vielmehr sind korrigierte und demnach stärker vertrauenswürdige Messwerte erzielbar. Die Korrektur von Messwerten könnte auf die Messwerte beschränkt werden, die ein Mindestmaß an Verlässlichkeit aufweisen. Besonders unzuverlässige Messwerte lassen sich oft nur sehr ungenau korrigieren.
Alternativ kann ein zu einem Messpunkt gehörender Messwert verworfen werden, wenn durch die Bewertung ein Wert ermittelt wird, der unterhalb einer definierbaren Grenze liegt. Dadurch können besonders unzuverlässige Messwerte das Gesamtergebnis nicht beeinflussen.
Weiter alternativ können Messwerte basierend auf ihrer Bewertung zwar behalten jedoch nur in geringem Maße in das Gesamtergebnis der Messung einfließen. Je geringer die Zuverlässigkeit eines Messwerts eingestuft wird, desto geringer wäre sein Einfluss auf das Messergebnis. Damit besteht eine weitere Möglichkeit, die Bewertung der Messwerte vorteilhaft zu nutzen.
Zusätzlich oder weiter alternativ kann zu jedem Messwert, der nicht verworfen wird, die Bewertung gespeichert werden. Auf diese Weise liegt zu jedem Messwert ein Wert vor, der die Zuverlässigkeit des Messwertes dokumentiert.
Vorzugsweise kommt das erfindungsgemäße Verfahren beim Abscannen eines Messobjekts zum Einsatz. Das Messobjekt wird entlang einer Bahn gescannt, wobei der Abstandssensor oder das Messobjekt derart bewegt wird, dass die Messpunkte auf der Projektion der Bahn auf die Oberfläche des Messobjekts liegen, wobei eine Projektion in Richtung des Beleuchtungslichtstrahls erfolgt. Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das Messobjekt oder der Abstandssensor auf einer Ebene oder zu- mindest auf einer möglichst einfach definierbaren, geometrischen Fläche (beispielsweise einem Ausschnitt einer Kugeloberfläche) bewegt wird. Vorzugsweise ist die Bahn linear, kreisförmig, spiralförmig oder mäanderförmig. Auch andere einfach beschreibbare Kurven und Bahnen können vorteilhaft eingesetzt werden. Auf jeden Fall sollte die Bahn deterministisch sein, damit eine geometrische Beschreibung für die Auswertung der am Detektor gemessenen Intensität ermöglicht wird.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren bei der Auswertung von Messwerten eines optischen Abstandssensors verwendet, der nach dem Triangulationsprinzip arbeitet. Dabei bilden die Lichtquelle des Abstandssensors, der aktuell beleuchtete Messpunkt auf der Oberfläche des Messobjekts und der Detektor des Abstandssensors ein Dreieck. Der unter definiertem Winkel von der Lichtquelle des Abstandssensors abgestrahlte Lichtstrahl wird in dem Messpunkt an der Oberfläche des Messobjekts reflektiert und durch den Detektor detektiert. Aus dem Abstand zwischen Lichtquelle und dem beleuchteten Punkt auf dem Detektor kann auf die Höhe des durch Lichtquelle, Messpunkt und beleuchtetem Punkt gebildeten Dreiecks geschlossen werden. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen Abstandssensor und Messpunkt bestimmt werden. Meist dürfte die Bestimmung des Abstands basierend auf abgespeicherte Daten aus Kalibrierungsmessungen erfolgen. Über diese Daten ist eine Beziehung zwischen einem beleuchteten Punkt des Detektors und dem Abstand zu dem Messobjekt hergestellt.
Vorzugsweise ist der Lichtstrahl, der durch den optischen Abstandssensor ausgesandt wird, durch einen Laserstrahl gebildet. Diese verfügen über die optischen Eigenschaften, um eine zuverlässige Messsituation gewährleisten zu können.
Durch die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgenommene Bewertung der Messwerte kann das erfindungsgemäße Verfahren beim Abtasten von strukturierten Messobjekten, diskontinuierlichen Messobjekten (beispielsweise Gitterstrukturen) oder von Messobjekten mit stark schwankenden Reflexionskoeffizienten eingesetzt werden. Es ist sogar möglich, stark strukturierte Messobjekte mit ebenfalls stark schwankenden Reflexionskoeffizienten zu vermessen. Vorgenannte Messobjekte sind mit dem Stand der Technik bekannten Messverfahren praktisch nicht zuverlässig vermessbar. Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Messsituation, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren bei einem Abtasten der Oberfläche eines Messobjekts mit unterschiedlichem Reflexionskoeffizienten verwendet werden kann,
Fig. 2 ein Diagramm mit der Intensitätsverteilung des projizierten Lichtflecks auf der Oberfläche des Messobjekts bei der Messsituation gemäß Fig. 1 ,
Fig. 3 ein Diagramm, das die Reflektivität der Oberfläche des Messobjekts und die Bewegungsrichtung relativ zu dem projizierten Lichtflecks nach Fig. 2,
Fig. 4 verschiedene Diagramme mit dem ermittelten Abstand (4A), der Intensität des detektierten Lichtstrahls (4B oben), der Ableitung der Intensität (4B unten) und der Korrektur des ermittelten Abstands (4C),
Fig. 5 ein Diagramm mit unkorrigierten Messwerten aus einer Abstandsmessung über der Zeit,
Fig. 6 ein Diagramm mit Messwerten nach Fig. 5, die unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens als gültig klassifiziert sind, und
Fig. 7 ein Diagramm mit Abstands-Messwerten (oberer Teil) und gemessenen Intensitätswerten (unterer Teil), bei dem mit einem erfindungsgemäßen Verfahren eine Bewertung und Auswahl von Abstandswerten vorgenommen wurde. Fig. 1 zeigt eine typische Messsituation, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren eingesetzt werden kann. Ein optischer Abstandssensor 1 sendet mittels einer Lichtquelle 2 einen beleuchtenden Lichtstrahl 3 (Beleuchtungslichtstrahl) aus, der in einem Messpunkt 8 auf eine Oberfläche 4 eines Messobjekts 5 triff und dort als reflektierter Lichtstrahl 6 zurück in Richtung Abstandssensor 1 reflektiert wird. Bei dem Abstandssensor 1 wird der reflektierte Lichtstrahl 6 nach Passieren einer Linse 11 (oder allgemein einer Optik) durch ein Detektorarray 7 detektiert. Aus dem beleuchteten Punkt auf dem Detektorarray 7 wird in der dargestellten Messsituation unter Verwendung von Daten aus Kalibrierungsmessungen auf den Abstand A zwischen Abstandssensor 1 und dem Messpunkt 8 geschlossen.
Fig. 2 zeigt einen Intensitätsverlauf des durch den Beleuchtungslichtstrahl 3 erzeugten Lichtflecks auf der Oberfläche 4 des Messobjekts 5. Eine ähnliche Verteilung stellt sich auf dem Detektorarray 7 ein. Ist die charakteristische Breite der Intensität auf dem Detektorarray 7 breiter als ein einzelnes Element des Detektorarrays (was praktisch immer der Fall ist), so wird zur Ermittlung des Abstandes A der Schwerpunkt der beleuchteten Elemente bestimmt. Der Schwerpunkt wird als Auftreffpunkt des projizierten Lichtstrahls 6 auf dem Detektorarray 7 gewertet und daraus der Abstand A zu dem Messpunkt 8 auf der Oberfläche 4 des Messobjekts 5 bestimmt.
Die zuvor beschriebene Messsituation bereitet solange keine Probleme, wie statische Messsituationen oder relativ plane und homogen reflektierende Messobjekte vorliegen. Bei einer Relativbewegung zwischen Abstandssensor und Messobjekt und/oder bei Messobjekten mit starker Strukturierung oder stark schwankenden Reflexionskoeffizienten entsteht in dem Abstandssignal ein Messfehler. In der Messsituation gemäß Fig. 1 wird das Messobjekt 5 längs der Achse x verschoben und weist eine Stelle mit einem im Vergleich zu der Umgebung erhöhten Reflexionskoeffizienten auf. Trifft der Beleuchtungslichtstrahl 3 auf einen Bereich mit hoher Reflektivität, so wird dieser Bereich besser reflektiert als in den zuvor gescannten Bereichen der Oberfläche 4. Dies hat zur Folge, dass der zuvor homogen reflektierte Lichtfleck zunächst am Rand des Bereichs mit hoher Reflektivität besser reflektiert wird als zuvor. Dadurch verschiebt sich die Intensitätsverteilung im reflektierten Lichtstrahl, was wiederum zu einer anderen Intensitätsverteilung auf dem Detektorarray 7 führt. Dadurch liefert die Schwerpunktermittlung einen anderen Schwerpunkt auf dem Detektorarray 7 als bei homogener Reflektivität. Auch bei konstantem Abstand A zwischen Abstandssensor 1 und Messobjekt 5 ergibt sich hieraus eine Änderung in dem Messwert des Abstands. Der auf diese Weise bestimmte Abstand ist in Fig. 4A dargestellt. Der tatsächliche Abstand A0 scheint sich während der Bewegung in den besser reflektierenden Punkt zu reduzieren und danach wieder zu erhöhen. Dadurch entsteht bei Bewegung eine vermeintliche Abstandsänderung und es wird auf eine Rille mit anschließendem Grat auf der Oberfläche des Messobjekts geschlossen, auch wenn eine plane Oberfläche vorliegt. Es ist zu erkennen, dass der tatsächliche Abstand erst dann gemessen wird, wenn der Lichtfleck den Punkt mit hoher Reflektivität exakt überdeckt und somit die Intensität des detektierten . Lichtstrahls sein Maximum annimmt.
Entsprechendes ist dem Intensitätssignal gemäß Fig. 4B zu entnehmen. In der oberen Hälfte des Diagramms ist der Intensitätsverlauf des bei dem Detektorarray 7 detektierten Lichtstrahls 6 wiedergegeben. Ausgehend von einer Grundintensität I0, die sich bei Messpunkten 8 mit homogener Reflektivität einstellt, steigt die bei dem Detektorarray 7 detektierte Intensität l(x(t)) kontinuierlich an. Dies geschieht in Abhängigkeit davon, in welchem Ausmaß der Bereich mit hoher Reflektivität von dem durch den Beleuchtungslichtstrahl 3 am Messpunkt 8 gebildeten Beleuchtungsfleck überdeckt wird. Die Intensität l(x(t)) erreicht dann ihr Maximum, wenn der Beleuchtungsfleck den Bereich mit hoher Reflektivität zentral überdeckt. Danach nimmt die Intensität des reflektierten Lichtstrahls wieder ab, und zwar in dem Maße, in dem der Beleuchtungsfleck den Bereich mit hoher Reflektivität wieder verlässt. Sobald der Beleuchtungsfleck den Bereich verlassen hat, wird die Grundintensität I0 wieder eingenommen. In Folge dessen bildet sich ein Intensitätsverlauf l(x(t)) in Form einer Gaußglocke aus.
Im unteren Teil der Fig. 4B ist die Ableitung der Intensität l(x(t)) nach dem Weg über dem Weg x(t) dargestellt. Ein derartiger Verlauf ist typisch für das Überstreichen von Bereichen mit hoher Reflektivität. Der Fehler in dem Abstandssignal zeigt eine Abhängigkeit von der Ableitung der Intensität l(x(t)). Dadurch kann aus der Ableitung des Intensitätssignals l(x(t)) der Fehler in dem Messsignal des Abstandes an verschiedenen Stellen x(t) bestimmt werden. Als besonders gut geeignet für die Bestimmung und Kompensation des Messfehlers hat sich erwiesen, wenn vor der Ableitung nach dem Ort das Intensitätssignal mit einer Wurzelfunktion skaliert wird. Dadurch ergibt sich als Bewertungskriterium die Funktion:
Figure imgf000015_0001
dx
Diese Funktion weist eine Proportionalität zu dem Messfehler auf, so dass hieraus eine unmittelbare Korrektur des Messwerts und eine Kompensation des Messfehlers möglich werden. Ein derart korrigiertes Abstandssignal z'(x(t)) ist in Fig. 4C dargestellt. Die unkorrigierten Abstandsmesswerte z(x(t)) aus Fig. 4A sind zum direkten Vergleich nochmals in Fig. 4C eingezeichnet. Der in dem Bereich der Kurve dargestellte gezackte Verlauf stellt das korrigierte Abstandssignal z'(x(t)) dar. Es ist deutlich zu erkennen, dass durch Verwendung der Intensität die Messwerte sehr gut korrigiert werden können.
Die Figuren 5 und 6 beziehen sich auf eine weitere Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Vermessung eines Messobjekts. Fig. 5 zeigt die Rohwerte, die sich aus einer Abstandsmessung ergeben. Dabei wird ein strukturiertes Messobjekt mit vielen schmalen, in einer Gitterstruktur angeordneten Stegen mit einem Triangulationssensor entsprechend Fig. 1 abgescannt. Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der fehlerbehafteten Abstandwerte. Fig. 6 zeigt Abstandswerte, die durch ein erfindungsgemäßes Verfahren als vertrauenswürdig klassifiziert worden sind. Hierbei werden die Rohwerte gemäß Fig. 5 unter Verwendung der Intensitätswerte bewertet und wenig vertrauenswürdige Messwerte verworfen. In Fig. 6 ist deutlich die globale Kontur der Stegstruktur zu erkennen, während in Fig. 5 keinerlei Informationen über die Kontur enthalten zu sein scheinen.
Das verwendete Auswahlverfahren wird nachfolgend mit Bezug auf Fig. 7 genauer erläutert. Fig. 7 zeigt ein kleineres Teilstück einer Stegstruktur ähnlich der in Fig. 5 vermessenen Stegstruktur. Der Fig. 7 liegt ein anderer Messverlauf als Fig. 5/6 zugrunde. Im oberen Bereich der Fig. 7 sind die gemessenen Abstandswerte über der Zeit wiedergegeben. Die an den Teilsegmenten des Messwertverlaufs erkennbaren senkrechten Linien kennzeichnen Messwerte, die durch das Passieren des Lichtstrahls vorbei an den Stegen der Stegstruktur hervorgerufen werden. In den Lücken zwischen den Teilsegmenten weist das Messobjekt ein Loch auf, während die Stege durch die Linien der Teilsegmente repräsentiert sind. Die Ausbrüche 10 deuten auf einen Kreuzungspunkt zwischen zwei Stegen der Gitterstruktur hin. Der obere Teil der Fig. 7 zeigt somit fehlerbehaftete Messwerte eines Abstandssensors eines bekannten Messobjekts.
Im unteren Bereich der Fig. 7 sind die Intensitätswerte des am Detektorarray 7 detektierten Lichtstrahls wiedergegeben. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Intensität abhängig von dem beleuchteten Messpunkt auf dem Messobjekt starken Schwankungen unterworfen ist. In den Bereichen einer Lücke zwischen den Stegen sinkt die Intensität auf ein Minimum nahe Null ab. An den Stegen steigt die Intensität auf ein Maximum an.
Die in Fig. 7 dargestellten Messwerten wurden unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens einer Bewertung unterworfen. Als Gütekriterium werden der zeitliche bzw. räumliche Abstand eines Messpunktes vom Schwerpunkt bzw. Maximum eines Intensitätspeaks und/oder die charakteristische Breite des Intensi- tätspeaks verwendet. In Abhängigkeit der Intensität wird an jedem Steg jeweils ein Messpunkt ausgewählt, der für den Steg als repräsentativ bewertet wird. Es wird der Messpunkt genutzt, an dem die Intensität ein Maximum annimmt. Als weitere Randbedingung muss dieses Maximum ein ausreichend isoliertes Maximum sein. Fällt die Intensität im Bereich um das Maximum nicht unterhalb eines Schwellenwerts ab, so wird das nächste Maximum untersucht. Ein isoliertes Maximum deutet darauf hin, dass der Beleuchtungsfleck einen Steg zentral abdeckt. Die Messpunkte, an denen die Intensitätswerte ein Maximum annehmen, werden als besonders zuverlässig bewertet, während die verbleibenden Messwerte verworfen werden.
Statt eines einzelnen Messwertes können auch mehrere Messwerte nicht verworfen werden, bei denen die Intensität einen Bereich um das Maximum noch nicht unterschritten hat. Der ausgewählte Messwert oder die ausgewählten Messwerte werden als repräsentativ für den Abstand zwischen Abstandssensor und Steg angenommen. Die ausgewählten Werte sind im oberen Bereich der Fig. 7 etwas heller wiedergegeben und zur besseren Erkennbarkeit mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichnet. Untersuchungen haben bestätigt, dass auf diese Weise eine sehr gut Genauigkeit der gescannten Abstandswerte erreicht werden kann.
Zusätzlich können bei der Bewertung bzw. bei einem Bewertungsteilschritt nach geeigneter Filterung jeweils drei einzelne Intensitätswerte mit vorgegebenem bzw. automatisch angepasstem Punktabstand zur Breitenauswahl und Lagebestimmung des Intensitätspeaks verwendet werden. Für die Auswahl bestimmter Peakbreiten wird die Summe der Intensitäten des ersten und dritten Messpunktes normiert auf die Intensität des zweiten Messpunktes mit einem Schwellwert verglichen. Für die Lagebestimmung wird der Betrag der Differenz der Intensitäten des ersten und dritten Messpunktes normiert auf die Intensität des zweiten Messpunkts mit einem Schwellwert verglichen.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
Bezugszeichenliste
1 Optische Abstandssβnsor
2 Lichtquelle
3 Beleuchtende Lichtstrahl
(Beleuchtungslichtstrahl)
4 Oberfläche des Messobjekts
5 Messobjekt
6 Reflektierte Lichtstrahl
7 Detektorarray
8 Messpunkt
9 Ausgewählter Messwert
10 Ausbrüche im Messwertverlauf
11 Linse

Claims

A n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Bewertung von Messwerten eines optischen Abstandssensors (1), wobei die Messwerte durch optische Abtastung eines Messobjekts (5) mittels eines Lichtstrahls (3) gewonnen werden und wobei aus dem an einem Messpunkt (8) auf dem Messobjekt (5) reflektierten und durch den Abstandssensor (1 ) detektierten Lichtstrahl (6) der Abstand zwischen Messpunkt (8) und Abstandssensor (1) bestimmt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zusätzlich zu dem Abstand des Messpunkts (8) die Intensität (I) des an dem Messpunkt (8) reflektierten und durch den Abstandssensor detektierten Lichtstrahls (6) bestimmt wird und dass durch Auswertung des zeitlichen oder räumlichen Verlaufs der Intensität (I) über mehrere weitere Messpunkte hinweg eine Bewertung des Messwerts (8) an dem Messpunkt (8) durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren weiteren Messpunkte, über die hinweg der Verlauf der Intensität (I) bewertet wird, in der Umgebung des Messpunkts (8) gewählt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung des Verlaufs der Intensität eine Ableitung nach dem Ort oder nach der Zeit gebildet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Filterung der Messwerte anhand mehrerer Intensitätswerte durchgeführt wird, wobei die mehreren Intensitätswerte an mehreren der weiteren Messpunkte in der Umgebung der Messpunkts (8) bestimmt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Belichtungszeit bei der Bewertung berücksichtigt wird, wobei die Belichtungszeit die Zeitdauer bezeichnet, während der das an dem Messpunkt (8) reflektierte Licht (6) von dem Detektor (7) des Abstandssensors (1) empfangen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abtasten des Messobjekts in einer Scanbewegung eine Zuordnung des Ortes des Messpunkts in Abhängigkeit der Belichtungszeit durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des detektierten Lichtstrahls (6) auf die Lichtmenge des durch den Abstandssensor (1 ) ausgesandten Lichtstrahls (3) normiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Intensität des detektierten Lichtstrahls (6) mittels einer linearen oder nicht-linearen Funktion skaliert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu dem Messpunkt (8) gehörender Messwert mittels eines Korrekturelements korrigiert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu einem Messpunkt (8) gehörender Messwert verworfen wird, wenn durch die Bewertung ein Wert für die Güte des Messpunkts ermittelt wird, der unterhalb eines definierbaren Grenzwertes liegt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt (5) entlang einer deterministischen Bahn, vorzugsweise entlang einer linearen, kreisförmigen, spiralförmigen oder mäanderförmigen Bahn, abgetastet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand durch Triangulation bestimmt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtstrahl (3) ein Laserstrahl verwendet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt bei der optischen Abtastung durch den Lichtstrahl (3) punktförmig oder linienförmig beleuchtet wird und dass entsprechend der Ausdehnung des Lichtstrahls (3) der Messpunkt (8) eine punkt- oder linienförmige Ausdehnung aufweist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Abtastung von strukturierten und/oder diskontinuierlichen Messobjekten (5) und/oder von Messobjekten (5), die einen entlang einer Bahn stark schwankenden Reflexionskoeffizienten besitzen, eingesetzt wird.
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