DE102023205077A1 - Method and device for determining an object-dependent focus offset, method for measuring an object and coordinate measuring device - Google Patents

Method and device for determining an object-dependent focus offset, method for measuring an object and coordinate measuring device Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer objektabhängigen Fokusablage eines optischen Erfassungssystems (2) zur Abbildung eines Objekts (3), welches mindestens eine optische Erfassungseinrichtung (5) und mindestens ein optisches Element (4) zur Abbildung umfasst, umfassend die Schritte:
- Erzeugen eines ersten Abbilds des Objekts (3) durch Erfassen einer vom Objekt (3) reflektierten ersten Strahlung,
- Erzeugen mindestens eines weiteren Abbilds des Objekts (3) durch Erfassen einer vom Objekt (3) reflektierten weiteren Strahlung, wobei die erste Strahlung und die weitere Strahlung verschiedene Wellenlängen aufweisen oder Wellenlängen aus verschiedenen Wellenlängenbereichen umfassen,
- Bestimmen der bildpunktspezifischen Intensitätswerte im ersten und im mindestens einen weiteren Abbild für zumindest einen Bildpunkt in den Abbildern, Bestimmen der bildpunktspezifischen Fokusablage zumindest in Abhängigkeit der Intensitätswerte und einer vorbestimmten chromatischen Längsabweichung (CHL) des mindestens einen optischen Elements (4) sowie ein Verfahren zur Vermessung eines Objekts und ein Koordinatenmessgerät.

Figure DE102023205077A1_0000
The invention relates to a method and a device for determining an object-dependent focus offset of an optical detection system (2) for imaging an object (3), which comprises at least one optical detection device (5) and at least one optical element (4) for imaging, comprising the steps:
- generating a first image of the object (3) by detecting a first radiation reflected from the object (3),
- generating at least one further image of the object (3) by detecting further radiation reflected from the object (3), wherein the first radiation and the further radiation have different wavelengths or comprise wavelengths from different wavelength ranges,
- determining the pixel-specific intensity values in the first and in the at least one further image for at least one pixel in the images, determining the pixel-specific focus offset at least as a function of the intensity values and a predetermined chromatic longitudinal deviation (CHL) of the at least one optical element (4), as well as a method for measuring an object and a coordinate measuring device.
Figure DE102023205077A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer objektabhängigen Fokusablage sowie ein Verfahren zur Vermessung eines Objekts und ein Koordinatenmessgerät.The invention relates to a method and a device for determining an object-dependent focus offset as well as a method for measuring an object and a coordinate measuring machine.

In der Koordinatenmesstechnik werden u.a. optische Verfahren eingesetzt, um ein Objekt zu vermessen. In der Regel wird hierfür das Objekt durch eine oder mehrere Lichtquelle(n) beleuchtet und die vom Objekt reflektierte bzw. gestreute Strahlung durch eine optische Erfassungseinrichtung mit einem Bildsensor erfasst, wobei ein in der Regel zweidimensionales Abbild erzeugt wird. In den meisten Fällen werden hierzu in einem Beobachtungsstrahlengang optische Elemente angeordnet, z.B. in Form von Linsen.In coordinate measuring technology, optical methods are used, among other things, to measure an object. The object is usually illuminated by one or more light sources and the radiation reflected or scattered by the object is recorded by an optical detection device with an image sensor, whereby a generally two-dimensional image is generated. In most cases, optical elements are arranged in an observation beam path for this purpose, e.g. in the form of lenses.

Ein bekanntes Verfahren zur Erzeugung von Messwerten ist die Bestimmung eines Fokuswerts, also des Abstands eines eingestellten Fokuspunkts, von einem Bildsensor bzw. einem anderen Referenzpunkt eines optischen Erfassungssystems, wobei dann aus diesem Fokuswert und ebenfalls bestimmbaren Position- und/oder Orientierungsinformationen des optischen Erfassungssystems ein Wert einer Koordinate eines fokussierten Punkts in einem Referenzkoordinatensystem bestimmt werden kann.A known method for generating measured values is the determination of a focus value, i.e. the distance of a set focus point, from an image sensor or another reference point of an optical detection system, whereby a value of a coordinate of a focused point in a reference coordinate system can then be determined from this focus value and also determinable position and/or orientation information of the optical detection system.

Weiter bekannt ist die sogenannte chromatische Längsabweichung (CHL), die einen Bildfehler in optischen Systemen bezeichnet, der seinen Ursprung in der wellenlängenabhängigen Brechung des Lichts hat. CHL beschreibt - vereinfacht gesagt - die Abhängigkeit der Fokuslage von der am Objektiv eintreffenden Wellenlänge bzw. dem Spektrum der an dem Objektiv eintreffenden Strahlung. So können für verschiedene Wellenlängen, z.B. durch eine Autofokusfunktion, unterschiedliche Fokuslagen eingestellt werden, wodurch in dem vorhergehend erläuterten Verfahren zur Erzeugung von Messwerten auch verschiedene Messwerte erzeugt werden. Es ist bekannt, dass Beiträge zu der chromatischen Längsabweichung durch Elemente des optischen Erfassungssystems wie z.B. Linsen bestimmt werden können, z.B. durch eine entsprechende Vermessung oder Kalibrierung. Dies ermöglicht, den von dem spezifischen optischen Element erzeugten Beitrag zur chromatischen Längsabweichung bei der Bestimmung von Messwerten zu berücksichtigen.Also known is the so-called longitudinal chromatic aberration (CHL), which describes an image error in optical systems that has its origin in the wavelength-dependent refraction of light. CHL describes - put simply - the dependence of the focus position on the wavelength arriving at the lens or the spectrum of the radiation arriving at the lens. Different focus positions can be set for different wavelengths, e.g. using an autofocus function, which also generates different measured values in the previously explained method for generating measured values. It is known that contributions to the longitudinal chromatic aberration can be determined by elements of the optical detection system such as lenses, e.g. by appropriate measurement or calibration. This makes it possible to take into account the contribution to the longitudinal chromatic aberration generated by the specific optical element when determining measured values.

Problematisch ist jedoch, dass verschiedene Objekte in verschiedener Weise zur chromatischen Längsabweichung beitragen können, da verschiedene Objekte die Strahlung unterschiedlich reflektieren, insbesondere mit verschiedenen Spektren. Dies wiederum bedeutet, dass die Fokusablage objekt- bzw. prüflingsabhängig ist.The problem, however, is that different objects can contribute to longitudinal chromatic aberration in different ways, since different objects reflect radiation differently, especially with different spectra. This in turn means that the focus offset depends on the object or test piece.

Die Fokusablage bezeichnet hierbei die Differenz zwischen einer wahren Fokuslage, die ohne Verfälschungen wie z.B. die erläuterte chromatische Längsabweichung bestimmt worden wäre, und der Fokuslage, die unter Einfluss dieser Verfälschungen bestimmt wird bzw. sich einstellt.The focus offset refers to the difference between a true focus position that would have been determined without distortions such as the longitudinal chromatic deviation explained above and the focus position that is determined or established under the influence of these distortions.

Aus dem Stand der Technik bekannt ist die DE 10 2019 214 865 A1 , die ein Beleuchtungssystem, ein optisches Messgerät und ein Verfahren zur meteorologischen Vermessung von Werkstücken offenbart.Known from the state of the art is the DE 10 2019 214 865 A1 which discloses an illumination system, an optical measuring device and a method for meteorological measurement of workpieces.

Weiter bekannt ist die DE 37 43 584 A1 , die ein optisches Spektrometer, mit einer die Probe anregenden Lichtquelle, mindestens einem Strahlengang des von der Probe ausgehenden Strahlenbündels liegenden optischen Filter und einem optoelektrischen Wandler mit nachgeschalteter Signalverarbeitungs- und Auswertungsschaltung betrifft.Also known is the DE 37 43 584 A1 which relates to an optical spectrometer with a light source exciting the sample, an optical filter located along at least one beam path of the beam emanating from the sample, and an optoelectrical converter with downstream signal processing and evaluation circuit.

Weiter bekannt ist die US 2021/0302632 A1 , die eine optische Filteranordnung zur Nutzung in Multi-Wellenlängen-Themen offenbart, und hierbei insbesondere eine Fokuskorrigierte Filtervorrichtung für solche Multi-Wellenlängensysteme betrifft.Also known is the US 2021/0302632 A1 which discloses an optical filter arrangement for use in multi-wavelength systems, and in particular relates to a focus-corrected filter device for such multi-wavelength systems.

Weiter bekannt ist die US 5,940,183 A , die eine Filteranordnung und eine Detektionsvorrichtung offenbart, wobei eine Vielzahl von Filtern mit einer jeweils einzigartigen Strahlwellenlänge genutzt werden.Also known is the US 5,940,183 A which discloses a filter arrangement and a detection device utilizing a plurality of filters each having a unique beam wavelength.

Ebenfalls bekannt ist die US 10,401,738 B2 , die sich allgemein auf Overlay-Metrologie und insbesondere auf Overlay-Metrologie mit mehreren Parameterkonfigurationen bezieht.Also known is the US 10,401,738 B2 , which refers generally to overlay metrology and more particularly to overlay metrology with multiple parameter configurations.

Weiter bekannt ist die DE 10 2010 064 387 , die ein Abbildungssystem und ein Abbildungsverfahren offenbart.Also known is the DE 10 2010 064 387 which discloses an imaging system and an imaging method.

Es stellt sich das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer objektabhängigen Fokusablage eines optischen Erfassungssystems zur Abbildung eines Objekts zu schaffen, die eine zuverlässige und genaue Bestimmung der Fokusablage ermöglichen. Weiter stellt sich das technische Problem, ein Verfahren zur Vermessung eines Objekts mit einem optischen Koordinatenmessgerät und ein Koordinatenmessgerät zu schaffen, die einen genauen Messwert erzeugen.The technical problem is to create a method and a device for determining an object-dependent focus offset of an optical detection system for imaging an object, which enable a reliable and precise determination of the focus offset. The technical problem is also to create a method for measuring an object with an optical coordinate measuring device and a coordinate measuring device that generate an accurate measurement value.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the technical problem is provided by the objects having the features of the independent claims. Further advantageous embodiments of the invention are set out in the subclaims.

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Bestimmung einer objektabhängigen Fokusablage eines optischen Erfassungssystems zur Abbildung eines Objekts. Das Objekt kann auch als Prüfling bezeichnet werden. Das optische Erfassungssystem umfasst mindestens eine optische Erfassungseinrichtung, insbesondere eine Bilderfassungseinrichtung, wobei diese beispielsweise einen Bildsensor wie eine CMOS- oder CCD-Sensor umfassen kann. Der Bildsensor kann eine Sensorfläche aufweisen, auf die Strahlung auftrifft und dann in elektrische Signal umgewandelt wird. Mit der optischen Erfassungseinrichtung kann insbesondere ein zweidimensionales Abbild des Objekts erzeugt werden. Allerdings kann auch eine eindimensionale linienförmige Abbildung des Objekts erzeugt werden, z.B. mit einer als Liniensensor ausgebildeten Erfassungseinrichtung. Weiter umfasst das optische Erfassungssystem mindestens ein optisches Element zur Abbildung, wobei die zur Erzeugung des Abbilds erfassten Strahlen durch das optische Element verlaufen. Selbstverständlich kann das optische Erfassungssystem mehrere solche optischen Elemente umfassen. Insbesondere kann das optische Erfassungssystem optische Elemente umfassen, die konfiguriert sind, einen Fokuspunkt des optischen Systems einzustellen bzw. zu verändern. Hierzu können diese optischen Elemente z.B. beweglich gelagert sein. Ihre Position und/oder Orientierung kann einstellbar sein, um den Fokuspunkt zu verändern.A method is proposed for determining an object-dependent focus offset of an optical detection system for imaging an object. The object can also be referred to as a test object. The optical detection system comprises at least one optical detection device, in particular an image detection device, which can comprise, for example, an image sensor such as a CMOS or CCD sensor. The image sensor can have a sensor surface onto which radiation impinges and is then converted into an electrical signal. The optical detection device can in particular generate a two-dimensional image of the object. However, a one-dimensional linear image of the object can also be generated, e.g. with a detection device designed as a line sensor. The optical detection system also comprises at least one optical element for imaging, with the rays detected to generate the image passing through the optical element. Of course, the optical detection system can comprise several such optical elements. In particular, the optical detection system can comprise optical elements that are configured to set or change a focal point of the optical system. For this purpose, these optical elements can, for example, be movably mounted. Their position and/or orientation can be adjustable to change the focus point.

Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

  • In einem ersten Schritt erfolgt das Erzeugen eines ersten Abbilds eines Objekts durch Erfassen einer vom Objekt reflektierten ersten Strahlung. Das Objekt kann hierzu beleuchtet werden, insbesondere mit Strahlung aus einem vorbestimmten Spektrum, z.B. einem Weißlicht-Spektrum oder in einem Spektrum von sichtbaren Licht, aber auch mit einem davon verschiedenen Spektrum. Das Spektrum kann Wellenlängen von einer Minimalwellenlänge bis zu einer Maximalwellenlänge umfassen. Die Minimalwellenlänge kann in einem Bereich von 350 nm von 400 nm und die Maximalwellenlänge kann in einem Bereich von 700 nm bis 1000 nm liegen. Aber auch Teilspektren aus diesem Spektrum können zur Beleuchtung verwendet werden. Hierzu kann das optische Erfassungssystem mindestens eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Objektes umfassen.
The procedure includes the following steps:
  • In a first step, a first image of an object is generated by detecting a first radiation reflected from the object. For this purpose, the object can be illuminated, in particular with radiation from a predetermined spectrum, e.g. a white light spectrum or in a spectrum of visible light, but also with a different spectrum. The spectrum can include wavelengths from a minimum wavelength to a maximum wavelength. The minimum wavelength can be in a range from 350 nm to 400 nm and the maximum wavelength can be in a range from 700 nm to 1000 nm. However, partial spectra from this spectrum can also be used for illumination. For this purpose, the optical detection system can include at least one lighting device for illuminating the object.

In einem zweiten Schritt erfolgt ein Erzeugen mindestens eines weiteren Abbilds des Objekts durch Erfassen einer vom Objekt reflektierten weiteren Strahlung. Die erste Strahlung und die weitere Strahlung weisen verschiedene Wellenlängen auf. Alternativ umfassen die erste Strahlung und die weitere Strahlung Wellenlängen aus verschiedenen Wellenlängenbereichen. Die verschiedenen Wellenlängenbereiche können hierbei insbesondere disjunkte Wellenlängenbereiche sein. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass die voneinander verschiedenen Wellenlängenbereiche sich abschnittsweise überschneiden. Allerdings umfasst der Wellenlängenbereich der ersten Strahlung mindestens eine Wellenlängen, die nicht Teil des Wellenlängenbereichs der weiteren Strahlung ist und/oder umgekehrt.In a second step, at least one further image of the object is generated by detecting further radiation reflected from the object. The first radiation and the further radiation have different wavelengths. Alternatively, the first radiation and the further radiation comprise wavelengths from different wavelength ranges. The different wavelength ranges can in particular be disjoint wavelength ranges. However, it is also conceivable that the different wavelength ranges overlap in sections. However, the wavelength range of the first radiation comprises at least one wavelength that is not part of the wavelength range of the further radiation and/or vice versa.

Zum Erzeugen des Abbilds mit der ersten und der weiteren Strahlung, insbesondere zum Erzeugen von Strahlung mit verschiedenen Wellenlängen bzw. aus verschiedenen Wellenlängenbereichen, kann die vom Objekt reflektierte oder gestreute Strahlung gefiltert werden, wobei das Objekt zum Erzeugen des ersten und des weiteren Abbilds in diesem Szenario in vorteilhafter Weise mit gleichen Beleuchtungseigenschaften beleuchtet werden kann. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass zum Erzeugen des ersten und weiteren Abbilds das Objekt mit verschiedenen Wellenlängen bzw. mit Strahlung aus verschiedenen, insbesondere disjunkten, Wellenlängenbereichen beleuchtet wird, wobei diese Teilspektren innerhalb des vorhergehend erläuterten Spektrums zwischen der Minimalwellenlänge und der Maximalwellenlänge sein können.To generate the image with the first and the further radiation, in particular to generate radiation with different wavelengths or from different wavelength ranges, the radiation reflected or scattered by the object can be filtered, whereby the object can advantageously be illuminated with the same lighting properties to generate the first and the further image in this scenario. However, it is also conceivable that to generate the first and the further image, the object is illuminated with different wavelengths or with radiation from different, in particular disjoint, wavelength ranges, whereby these partial spectra can be between the minimum wavelength and the maximum wavelength within the spectrum explained above.

Die verschiedenen Abbilder können hierbei sequentiell erzeugt werden, wobei die Wellenlängen oder eine zentrale Wellenlänge eines Wellenlängenbereichs der Strahlung nach der Erzeugung eines Abbilds um einen vorbestimmten Betrag verändert, also erhöht oder verringert, werden, um das nächste Abbild zu erzeugen. Dieser Betrag kann z.B. kleiner als oder gleich 5 nm, 10 nm oder 50 nm sein. Werden die Abbilder mit Strahlung aus verschiedenen Wellenlängenbereichen erzeugt, so kann die Breite des Wellenlängenbereichs zur Erzeugung der verschiedenen Abbilder vorzugsweise gleich sein. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass sich diese ändern, z.B. um einen vorbestimmten Betrag. Die Wellenlängen der gefilterten Strahlung, insbesondere die zentralen Wellenlänge, können hierbei derart verändert werden, dass die zur Erzeugung der Abbilder gefilterte Strahlung das gesamte Beleuchtungsspektrum oder einen ausgewählten Teilbereich davon abdeckt.The different images can be generated sequentially, whereby the wavelengths or a central wavelength of a wavelength range of the radiation are changed, i.e. increased or decreased, by a predetermined amount after the generation of an image in order to generate the next image. This amount can be, for example, less than or equal to 5 nm, 10 nm or 50 nm. If the images are generated with radiation from different wavelength ranges, the width of the wavelength range for generating the different images can preferably be the same. However, it is also conceivable that these change, e.g. by a predetermined amount. The wavelengths of the filtered radiation, in particular the central wavelength, can be changed in such a way that the radiation filtered to generate the images covers the entire illumination spectrum or a selected sub-range thereof.

In einem dritten Schritt erfolgt ein Bestimmen der bildpunktspezifischen Intensitätswerte im ersten und im mindestens einen weiteren Abbild für zumindest einen Bildpunkt in den Abbildern. Mit anderen Worten kann für genau einen Bildpunkt, für ausgewählte, aber nicht alle Bildpunkte oder aber für alle Bildpunkte ein Intensitätswertverlauf über verschiedenen Wellenlänge bzw. über verschiedenen Wellenlängenbereichen bestimmt werden.In a third step, the pixel-specific intensity values are determined in the first and in the at least one further image for at least one pixel in the images. In other words, an intensity value curve over different wavelengths or over different wavelength ranges can be determined for exactly one pixel, for selected but not all pixels, or for all pixels.

In einem vierten Schritt erfolgt ein Bestimmen der bildpunktspezifischen Fokusablage zumindest in Abhängigkeit der Intensitätswerte des Bildpunkts in den erzeugten Abbildern und einer vorbestimmten chromatischen Längsabweichung des mindestens einen optischen Elements. Das Ergebnis dieses vierten Schrittes ist eine strahlungs- und bildpunktspezifische Fokusablage. Die objektabhängige Fokusablage kann als diese strahlungs- und bildpunktspezifische Fokusablage bestimmt werden, insbesondere für jeden Bildpunkt.In a fourth step, the pixel-specific focus offset is determined at least as a function of the intensity values of the pixel in the images generated and a predetermined chromatic longitudinal deviation of the at least one optical element. The result of this fourth step is a radiation- and pixel-specific focus offset. The object-dependent focus offset can be determined as this radiation- and pixel-specific focus offset, in particular for each pixel.

In Abhängigkeit dieser Fokusablage kann dann wiederum ein Messwert korrigiert werden, der von einem optischen Koordinatenmessgerät mit dem optischen Erfassungssystem bestimmt wird. Der Messwert kann hierbei durch Bestimmung eines Fokuswerts bestimmt werden, wobei dieser manuell oder durch eine Autofokusfunktion eingestellt wird. Dies wurde vorgehend erläutert. Ein solcher Messwert kann dann in Abhängigkeit der wie beschrieben bestimmten Fokusablage korrigiert werden. Z.B. kann der Fokuswert in Abhängigkeit der Fokusablage korrigiert werden. Dies kann z.B. erfolgen, indem die Fokusablage zum Fokuswert addiert oder von diesem abgezogen wird. Der korrigierte Fokuswert kann dann in bekannter Weise Bestimmung des korrigierten Messwerts genutzt werden. Hierbei kann für jeden Bildpunkt ein korrigierter Messwert bestimmt werden. Wie nachfolgend noch näher erläutert, kann aber auch für mehrere Bildpunkte eine resultierende Fokusablage und dann auf Grundlage dieser resultierenden Fokusablage ein korrigierter Messwert bestimmt werden. Das Verfahren ermöglicht somit in vorteilhafter Weise eine schnelle und zuverlässige Bestimmung einer objektabhängigen Fokusablage eines optischen Erfassungssystems, das dann wiederum eine zuverlässige und genaue Korrektur bei der Erzeugung von Messwerten ermöglicht.Depending on this focus offset, a measured value can then be corrected, which is determined by an optical coordinate measuring machine with the optical detection system. The measured value can be determined by determining a focus value, which is set manually or by an autofocus function. This was explained above. Such a measured value can then be corrected depending on the focus offset determined as described. For example, the focus value can be corrected depending on the focus offset. This can be done, for example, by adding the focus offset to or subtracting it from the focus value. The corrected focus value can then be used in the known manner to determine the corrected measured value. A corrected measured value can be determined for each pixel. As explained in more detail below, a resulting focus offset can also be determined for several pixels and then a corrected measured value can be determined on the basis of this resulting focus offset. The method thus advantageously enables a quick and reliable determination of an object-dependent focus offset of an optical detection system, which in turn then enables a reliable and precise correction when generating measured values.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Strahlung, die zur Erzeugung der Abbilder dient, durch eine Strahlungsfilterung bereitgestellt. Hierzu kann mindestens ein optisches Filterelement in einem Strahlengang des optischen Erfassungssystems, insbesondere in einem Beleuchtungsstrahlengang, der sich von einer Beleuchtungseinrichtung zum Objekt erstreckt, und/oder in einem Beobachtungsstrahlengang, der sich vom Objekt zur Bilderfassungseinrichtung erstreckt, angeordnet werden. Selbstverständlich können auch mehrere solcher optischen Filterelemente in dem Strahlengang angeordnet werden. Ein optisches Filterelement kann hierbei Hochpass-, Tiefpass-, Bandpass- oder Bandstopp-Eigenschaften aufweisen. Es ist vorstellbar, dass zum Erzeugen der verschiedenen Abbilder verschiedene optische Filterelemente in dem Strahlengang angeordnet werden, z.B. automatisiert. Durch die Strahlungsfilgerung ergibt sich in vorteilhafter Weise eine zuverlässige Erzeugung der Abbilder mit Strahlen verschiedener Wellenlängen.In a preferred embodiment, the radiation used to generate the images is provided by radiation filtering. For this purpose, at least one optical filter element can be arranged in a beam path of the optical detection system, in particular in an illumination beam path that extends from an illumination device to the object, and/or in an observation beam path that extends from the object to the image detection device. Of course, several such optical filter elements can also be arranged in the beam path. An optical filter element can have high-pass, low-pass, band-pass or band-stop properties. It is conceivable that different optical filter elements are arranged in the beam path to generate the different images, e.g. automatically. The radiation filtering advantageously results in reliable generation of the images with rays of different wavelengths.

Wie vorhergehend erläutert, ist es alternativ oder kumulativ aber auch möglich, dass die Strahlungseigenschaften, insbesondere das Spektrum, der Strahlung, die zur Erzeugung der Abbilder dient, und die durch eine Beleuchtungseinrichtung bereitgestellt wird, zum Erzeugen der verschiedenen Abbilder verändert wird.As explained above, it is alternatively or cumulatively also possible that the radiation properties, in particular the spectrum, of the radiation used to generate the images and which is provided by an illumination device is changed to generate the different images.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Strahlungsfilterung in einem Beleuchtungsstrahlengang und/oder in einem Beobachtungsstrahlengang des optischen Erfassungssystems. Bei Anordnung mindestens eines optischen Filters im Beleuchtungsstrahlengang ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass Anforderungen an die Eigenschaften optische Filter im Vergleich zu einer Anordnung außerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs, z.B. im Beobachtungsstrahlengang, geringer sein können, z.B. können Toleranzen für Soll-Eigenschaften größer sein. Bei einer Anordnung mindestens eines optischen Filterelements im Beobachtungsstrahlengang ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine thermische Belastung des optischen Filters durch die Lichtquelle verringert wird.In a further preferred embodiment, the radiation filtering takes place in an illumination beam path and/or in an observation beam path of the optical detection system. If at least one optical filter is arranged in the illumination beam path, it advantageously results that requirements for the properties of optical filters can be lower compared to an arrangement outside the illumination beam path, e.g. in the observation beam path, e.g. tolerances for target properties can be larger. If at least one optical filter element is arranged in the observation beam path, it advantageously results that thermal loading of the optical filter by the light source is reduced.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird die Strahlung, die zur Erzeugung der Abbilder dient, durch eine Filterung mit mindestens einem Gradientenfilter oder mit mindestens einem variablen Filter bereitgestellt bzw. erzeugt.In a further preferred embodiment, the radiation used to generate the images is provided or generated by filtering with at least one gradient filter or with at least one variable filter.

Ein Gradientenfilter kann spektrale Filtereigenschaften entlang einer Dimension ändern. So kann z.B. für jeden physikalischen Punkt einer Einstrahlfläche entlang einer Dimension eine spektraler Durchlassbereich spektral verschoben werden. Mit anderen Worten ergeben sich zumindest entlang einer Dimension eines Gradientenfilters verschiedene Filtereigenschaften mit der die auf den Gradientenfilter eingestrahlte Strahlung gefiltert wird. Mit anderen Worten können für verschiedene Einstrahlpunkte der Strahlung auf der Einstrahlfläche des Gradientenfilters verschiedene Filtereigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere können für verschiedene Einstrahlpunkte verschiedene zentrale Wellenlängen bereitgestellt werden, wobei eine zentrale Wellenlänge eine Eigenschaft eines Hochpass-, Tiefpass-, Bandpass- oder Bandstopp-Verhaltens des Gradientenfilters sein kann. Es ist weiter möglich, dass zwei in Strahlrichtung hintereinander angeordnete Gradientenfiltern verwendet werden, um resultierende Bandpasseigenschaften der Filteranordnung bereitzustellen. In diesem Fall kann ein erster Gradientenfilter Hochpass- und der weitere Gradientenfilter Tiefpasseigenschaften aufweisen.A gradient filter can change spectral filter properties along a dimension. For example, a spectral passband can be spectrally shifted along a dimension for each physical point of an incident surface. In other words, different filter properties are obtained at least along one dimension of a gradient filter with which the radiation radiated onto the gradient filter is filtered. In other words, different filter properties can be provided for different incident points of the radiation on the incident surface of the gradient filter. In particular, different central wavelengths can be provided for different incident points, where a central wavelength can be a property of a high-pass, low-pass, band-pass or band-stop behavior of the gradient filter. It is also possible to use two gradient filters arranged one behind the other in the beam direction to provide resulting band-pass properties of the filter arrangement. In this case, a first gradient filter can have high-pass properties and the other gradient filter can have low-pass properties.

Vorzugsweise ist der mindestens eine Gradientenfilter bzw. die Mehrzahl von Gradientenfiltern jeweils beweglich gelagert. Insbesondere kann eine Position des mindestens einen Gradientenfilters veränderbar sein, insbesondere um einen Einstrahlpunkt oder Einstrahlabschnitt der vom Objekt reflektierten/gestreuten Strahlung auf die Einstrahlfläche des mindestens einen Gradientenfilter zu verändern. Somit können durch eine Positionsveränderung auch die zur Abbildung dienenden Strahlungseigenschaften verändert werden, wobei jedoch kein aufwändiges Ersetzen der Filterelemente zur Erzeugung der beiden Abbilder im Strahlengang erfolgen muss. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine zuverlässige und einfache Bereitstellung von Strahlung mit einer gewünschten Wellenlänge bzw. Wellenlängen aus einem gewünschten Wellenlängenbereich, wobei durch eine Positionsveränderung des Gradientenfilters Strahlung mit verschiedenen Strahlungseigenschaften bereitgestellt werden können.Preferably, the at least one gradient filter or the plurality of gradient filters are each mounted so that they can move. In particular, a position of the at least one gradient filter can be changed, in particular in order to change an incident point or incident section of the radiation reflected/scattered by the object onto the incident surface of the at least one gradient filter. Thus, by changing the position, the radiation properties used for imaging can also be changed, although there is no need for the complex replacement of the filter elements to generate the two images in the beam path. This advantageously results in a reliable and simple provision of radiation with a desired wavelength or wavelengths from a desired wavelength range, whereby radiation with different radiation properties can be provided by changing the position of the gradient filter.

Alternativ wird die Strahlung durch Filterung mit mindestens einem variablen Filter bereitgestellt. Solche variablen Filter, die auch als kontinuierlich variable Filter bezeichnet werden können, ändern ebenfalls die spektralen Eigenschaften entlang einer Einstrahlfläche der zu filternden Strahlung. Bekannt sind insbesondere linear variable Filter, die für jeden Punkt entlang einer Achse spektrale Eigenschaften des Filters im Wellenlängenbereich verändern, insbesondere in linearer Weise. Weiter bekannt sind zirkuläre Filter, bei denen für jeden physikalischen Punkt entlang einer Kreislinie die spektralen Eigenschaften des Filters im Wellenlängenbereich verschoben werden. Variable Filter können Tiefpass-, Hochpass-, Bandpass- oder Bandstopp-Filtereigenschaften aufweisen. Somit gelten die Ausführungen zu den Gradientenfiltern in entsprechender Weise auch für die variablen Filter.Alternatively, the radiation is provided by filtering with at least one variable filter. Such variable filters, which can also be referred to as continuously variable filters, also change the spectral properties along an incident surface of the radiation to be filtered. Linearly variable filters are particularly known, which change the spectral properties of the filter in the wavelength range for each point along an axis, in particular in a linear manner. Also known are circular filters, in which the spectral properties of the filter in the wavelength range are shifted for each physical point along a circular line. Variable filters can have low-pass, high-pass, band-pass or band-stop filter properties. The statements on gradient filters therefore also apply accordingly to variable filters.

Durch die Verwendung insbesondere beweglicher Filter ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfach implementierbare Erzeugung der Abbilder, insbesondere ohne dass eine pulsierende Beleuchtung mit verschiedenen Wellenlängen erfolgen muss, die eine ungünstige Biokompatibilität aufweisen kann.The use of movable filters in particular advantageously results in an easily implemented generation of images, in particular without the need for pulsating illumination with different wavelengths, which can have unfavorable biocompatibility.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein variabler Filter ein linearer oder zirkulärer Filter. Dies wurde vorhergehend erläutert.In a preferred embodiment, a variable filter is a linear or circular filter. This was explained previously.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein gewichteter Verlauf durch Gewichtung eines (vorbekannten) wellenlängenabhängigen Verlaufs der vorbestimmten chromatischen Längsabweichung des mindestens einen optischen Elements mit einem wellenlängenabhängigen Verlauf der bestimmten Intensitätswerte bestimmt, wobei die Fokusablage als Mittelwert des gewichteten Verlaufs bestimmt wird. Intensitätswerte des wellenlängenabhängigen Verlaufs können normiert sein, z.B. auf einen maximal erzeugbaren Intensitätswert.In a preferred embodiment, a weighted curve is determined by weighting a (previously known) wavelength-dependent curve of the predetermined chromatic longitudinal deviation of the at least one optical element with a wavelength-dependent curve of the determined intensity values, wherein the focus offset is determined as the mean value of the weighted curve. Intensity values of the wavelength-dependent curve can be standardized, e.g. to a maximum intensity value that can be generated.

Der wellenlängenabhängige Verlauf kann sich über einen vorbestimmten Wellenlängenbereich erstrecken, beispielsweise über den Wellenlängenbereich der alle Wellenlängen des vorhergehend erläuterten Beleuchtungsspektrums umfasst, insbesondere einen Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm. Dieser gewichtete Verlauf kann bildpunktspezifisch bestimmt werden, wodurch wiederum die bildpunktspezifische Fokusablage als Mittelwert des gewichteten Verlaufs bestimmt wird. Der wellenlängenabhängige Verlauf der Intensitätswerte für einen Bildpunkt kann durch das Erfassen der Intensität zu verschiedenen Zeitpunkten bestimmt werden, wobei zu diesen verschiedenen Zeitpunkten Strahlung mit verschiedenen Wellenlängen durch den Bildpunkt abgebildet werden. Hierdurch ergibt sich eine einfache und zuverlässige Bestimmung der Fokusablage.The wavelength-dependent course can extend over a predetermined wavelength range, for example over the wavelength range that includes all wavelengths of the previously explained illumination spectrum, in particular a wavelength range from 400 nm to 700 nm. This weighted course can be determined for each pixel, whereby the pixel-specific focus offset is in turn determined as the mean value of the weighted course. The wavelength-dependent course of the intensity values for a pixel can be determined by recording the intensity at different times, with radiation with different wavelengths being imaged through the pixel at these different times. This results in a simple and reliable determination of the focus offset.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Fokusablage zusätzlich in Abhängigkeit eines Referenz-Empfängerspektrum bestimmt. Ein Empfängerspektrum bezeichnet hierbei das Spektrum der Strahlung, die von der optischen Erfassungseinrichtung empfangen wird.In a further embodiment, the focus offset is additionally determined as a function of a reference receiver spectrum. A receiver spectrum here refers to the spectrum of the radiation that is received by the optical detection device.

So ist es möglich, dass vom Objekt reflektierte Spektrum, also das Objekt-Empfängerspektrum, durch dieses Referenz-Empfängerspektrum zu teilen, wobei die beiden Spektren voneinander verschieden sind. Dies kann erfolgen, indem die Intensitätswerte des wellenlängenabhängigen Verlaufs durch wellenlängenspezifische Intensitäten des Referenz-Empfängerspektrums oder eine davon abhängige Größe geteilt werden. Dann kann der wellenlängenabhängige Verlauf der vorbestimmten chromatischen Längsabweichung mit dem derart bestimmten wellenlängenabhängigen Verlauf der bestimmten Intensitätswerte bestimmt gewichtet werden.It is thus possible to divide the spectrum reflected by the object, i.e. the object receiver spectrum, by this reference receiver spectrum, whereby the two spectra are different from one another. This can be done by dividing the intensity values of the wavelength-dependent curve by wavelength-specific intensities of the reference receiver spectrum or a quantity dependent on it. The wavelength-dependent curve of the predetermined chromatic longitudinal deviation can then be weighted with the wavelength-dependent curve of the determined intensity values determined in this way.

Das Referenz-Empfängerspektrum kann ein vorbekanntes Spektrum sein, das z.B. beim Einmessen oder Kalibrieren bestimmt wird und abrufbar gespeichert werden kann. Alternativ kann das Referenz-Empfängerspektrum auch vor jedem Messvorgang durch Beleuchtung eines Weiß-Normals, z.B. aus Bariumsulfat (BaSo4), bestimmt werden.The reference receiver spectrum can be a previously known spectrum, which is determined, for example, during measurement or calibration and can be stored for retrieval. Alternatively, the reference receiver spectrum can also be determined before each measurement process by illuminating a white standard, e.g. made of barium sulfate (BaSo4).

Bei der Bestimmung des Referenz-Empfängerspektrums werden auch die spektralen Transmissionseigenschaften aller optischen Elemente im Strahlengang sowie Eigenschaften der Bilderfassungseinrichtung berücksichtigt bzw. erfasst. Das optische Element im Strahlengang kann insbesondere ein Element der Beleuchtungsoptik sein.When determining the reference receiver spectrum, the spectral transmission properties of all optical elements in the beam path as well as properties of the image capture device are taken into account or recorded. The optical element in the beam path can in particular be an element of the illumination optics.

So kann angenommen werden, dass sich die Fokusablage aus einem Produkt von Beleuchtungsspektrum mit der Transmissionsübertragungsfunktion von optischen Elementen im Strahlengang und/oder der Reflektionsübertragungsfunktion des abzubildenden Objekts und/oder der Übertragungsfunktion, die den chromatischen Längsfehler des optischen Elements repräsentiert, ergibt.It can be assumed that the focus offset results from a product of the illumination spectrum with the transmission transfer function of optical elements in the beam path and/or the reflection transfer function of the object to be imaged and/or the transfer function representing the longitudinal chromatic error of the optical element.

So kann z.B. bei der Bestimmung der wellenlängenabhängigen Intensitätswerte eine vorbekannte Eigenschaft des Beleuchtungsspektrums, z.B. die Intensität bei einer ausgewählten Wellenlänge, sowie ein Transmissionsverlust als auch eine Sensitivität des verwendeten Sensors, die auch wellenlängenabhängig sein können, berücksichtigt werden.For example, when determining the wavelength-dependent intensity values, a previously known property of the illumination spectrum, e.g. the intensity at a selected wavelength, as well as a transmission loss and a sensitivity of the sensor used, which can also be wavelength-dependent, can be taken into account.

Durch die zusätzliche Berücksichtigung des Referenz-Empängerspektrums ergibt sich in vorteilhafter Weise eine genauere Bestimmung der Fokusablage.The additional consideration of the reference receiver spectrum advantageously results in a more precise determination of the focus offset.

In einer weiteren Ausführungsform entspricht eine Bildrate der Bilderfassungseinrichtung einer Erzeugungsrate der Abbilder mit verschiedenen Wellenlängen oder verschiedenen Wellenlängenbereichen oder einem ganzzahligen Vielfachen der Erzeugungsrate. Beträgt die Bildrate z.B. 60 Hz, so kann die Rate der Erzeugung ebenfalls 60 Hz betragen, womit in einer Sekunde 60 Abbilder mit jeweils verschiedenen Wellenlängen bzw. mit Wellenlängen aus verschiedenen Wellenlängenbereichen erzeugt werden. Allerdings kann die Erzeugungsrate auch 30 Hz betragen, wobei womit in einer Sekunde 30 Abbilder mit jeweils verschiedenen Wellenlängen bzw. mit Wellenlängen aus verschiedenen Wellenlängenbereichen erzeugt werden. In diesem Fall können z.B. immer zwei von der Bilderfassungseinrichtung aufeinanderfolgend erzeugte Abbilder mit der gleichen Wellenlänge bzw. mit den gleichen Wellenlängenbereichen erzeugt werden und zur Bestimmung eines resultierenden Abbilds fusioniert werden, z.B. durch die Bestimmung eines Mittelwerts der Intensitätswerte in den beiden Abbildern. Dann können die zwei folgenden Abbilder mit einer anderen Wellenlänge bzw. mit einem anderen Wellenlängenbereich erzeugt werden und ebenfalls zur Bestimmung eines resultierenden Abbilds fusioniert werden, z.B. durch die Bestimmung eines Mittelwerts der Intensitätswerte in den beiden Abbildern.In a further embodiment, a frame rate of the image capture device corresponds to a generation rate of the images with different wavelengths or different wavelength ranges or an integer multiple of the generation rate. If the frame rate is 60 Hz, for example, the generation rate can also be 60 Hz, whereby 60 images with different wavelengths or with wavelengths from different wavelength ranges are generated in one second. However, the generation rate can also be 30 Hz, whereby 30 images with different wavelengths or with wavelengths from different wavelength ranges are generated in one second. In this case, for example, two images with the same wavelength or with the same wavelength ranges generated consecutively by the image capture device can always be generated and fused to determine a resulting image, e.g. by determining an average of the intensity values in the two images. Then the two subsequent images can be generated with a different wavelength or with a different wavelength range and also fused to determine a resulting image, e.g. by determining an average of the intensity values in the two images.

Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Synchronisierung der Bildrate und der Erzeugungsrate und somit der Bestimmung der objektabhängigen Fokusablage. Beispielsweise ist es möglich, dass in einem vorbestimmten Zeitintervall jedes von der Bilderfassungseinrichtung erzeugte Abbild mit verschiedenen Strahlungseigenschaften erzeugt wird. Allerdings ist es auch vorstellbar, dass in dem Zeitintervall von vorbestimmter Dauer mehrere Abbilder, insbesondere eine vorbestimmte Anzahl von Abbildern, mit gleichen Strahlungseigenschaften der einfallenden Strahlung erzeugt und aus diesen ein resultierendes Abbild bestimmt wird, wobei verbleibende Teilmengen der erzeugten Abbilder dann wieder mit anderen Strahlungseigenschaften erfasst werden. This advantageously results in a synchronization of the image rate and the generation rate and thus the determination of the object-dependent focus offset. For example, it is possible that in a predetermined time interval each image generated by the image capture device is generated with different radiation properties. However, it is also conceivable that in the time interval of predetermined duration several images, in particular a predetermined number of images, are generated with the same radiation properties of the incident radiation and a resulting image is determined from these, with remaining subsets of the generated images then being captured again with different radiation properties.

Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Vermessung eines Objekts mit einem optischen Koordinatenmessgerät. Das optische Koordinatenmessgerät umfasst ein wie vorhergehend erläutert ausgebildetes optisches Erfassungssystem zum Abbilden des Objekts. Weiter kann das optische Koordinatenmessgerät eine Positioniereinrichtung zur Einstellung verschiedener Positionen und/Orientierungen des optischen Erfassungssystems, insbesondere der optischen Erfassungseinrichtung, im Raum umfassen. In dem Verfahren wird ein Messwert in Abhängigkeit einer Fokuslage des optischen Erfassungssystems des Koordinatenmessgeräts bestimmt. Der Messwert kann beispielsweise eine Koordinate eines Punktes oder Abschnitts des Objekts in einem Referenzkoordinatensystem repräsentieren. Der Messwert kann auch in Abhängigkeit einer Position und/oder Orientierung der optischen Erfassungseinrichtung bzw. des optischen Erfassungssystems bestimmt werden. Positions- und/oder Orientierungsinformationen können beispielsweise durch eine Lageerfassungseinrichtung erfasst werden. Alternativ oder kumulativ kann mindestens eine Stellgröße der Positioniereinrichtung ausgewertet werden, um die Position und/oder Orientierungsinformationen zu bestimmen.A method for measuring an object with an optical coordinate measuring device is also proposed. The optical coordinate measuring device comprises an optical detection system designed as previously explained for imaging the object. The optical coordinate measuring device can also comprise a positioning device for setting various positions and/or orientations of the optical detection system, in particular the optical detection device, in space. In the method, a measured value is determined depending on a focus position of the optical detection system of the coordinate measuring device. The measured value can, for example, represent a coordinate of a point or section of the object in a reference coordinate system. The measured value can also be determined depending on a position and/or orientation of the optical detection device or the optical detection system. Position and/or orientation information can, for example, be detected by a position detection device. Alternatively or cumulatively, at least one manipulated variable of the positioning device can be evaluated in order to determine the position and/or orientation information.

Weiter wird eine Fokusablage gemäß einem Verfahren zur Bestimmung einer objektabhängigen Fokusablage gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen bestimmt, wobei der korrigierte Messwert in Abhängigkeit der Fokusablage wird. Insbesondere kann dieser mit einer korrigierten Fokuslage bestimmt werden. So kann die zur Bestimmung des Messwerts berücksichtige Fokuslage des optischen Erfassungssystems korrigiert werden, insbesondere indem die Fokusablage zu der Fokuslage hinzuaddiert oder von dieser Fokuslage abgezogen wird und der korrigierte Messwert dann in Abhängigkeit der derart korrigierten Fokuslage bestimmt wird. Die Fokuslage kann hierbei insbesondere als Fokuswert bestimmt werden.Furthermore, a focus offset is determined according to a method for determining an object-dependent focus offset according to one of the embodiments described in this disclosure, wherein the corrected measured value is dependent on the focus offset. In particular, this can be determined with a corrected focus position. The focus position of the optical detection system taken into account for determining the measured value can thus be corrected, in particular by adding the focus offset to the focus position or subtracting it from this focus position and then determining the corrected measured value depending on the focus position corrected in this way. The focus position can in particular be determined as a focus value.

Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine zuverlässig genaue Bestimmung von Messwerten, insbesondere bei der Koordinatenmessung.This advantageously results in a reliably accurate determination of measured values, especially in coordinate measurement.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Fokusablage zeitlich vor der Erzeugung des Messwerts bestimmt. Insbesondere kann die Bestimmung der Fokusablage in zur Messung erforderliche Abläufe integriert werden. Beispielsweise kann die Fokusablage während einer sogenannten Fokusfahrt bestimmt werden, wobei während der Fokusfahrt die zur Bestimmung der Fokusablage benötigten Abbilder erzeugt werden. Die Fokusfahrt bezeichnet hierbei eine Veränderung der Position und/oder Orientierung des optischen Erfassungssystems zur automatischen Einstellung eines Fokuswerts, also zur Autofokussierung. Insbesondere kann durch die Fokusfahrt ein Fokuswert eingestellt wird, bei dem das Objekt scharfgestellt ist. Die Fokusablage kann dann abgespeichert werden, z.B. in Form einer Datenbank, wobei insbesondere jedem Bildpunkt eine Fokusablage zugeordnet werden kann. Die Datenbank kann auch als Fokuskorrekturkarte bezeichnet werden.In a further embodiment, the focus offset is determined before the measurement value is generated. In particular, the focus offset can be determined in the time required for the measurement Processes can be integrated. For example, the focus offset can be determined during a so-called focus move, whereby the images required to determine the focus offset are generated during the focus move. The focus move refers to a change in the position and/or orientation of the optical detection system for the automatic setting of a focus value, i.e. for autofocusing. In particular, the focus move can be used to set a focus value at which the object is in focus. The focus offset can then be saved, e.g. in the form of a database, whereby in particular each pixel can be assigned a focus offset. The database can also be referred to as a focus correction map.

Es ist möglich, dass die optische Erfassungseinrichtung eine mehrkanalige Erfassungseinrichtung, z.B. eine RGB-Kamera, ist. In diesem Fall kann für jeden Bildkanal die bildpunktspezifische Fokusablage bestimmt werden. Somit kann eine farbkanalabhängige Fokusablage bestimmt werden. Allerdings ist es auch möglich, dass die optische Erfassungseinrichtung eine monochromatische Erfassungseinrichtung ist.It is possible that the optical detection device is a multi-channel detection device, e.g. an RGB camera. In this case, the pixel-specific focus offset can be determined for each image channel. In this way, a color channel-dependent focus offset can be determined. However, it is also possible that the optical detection device is a monochromatic detection device.

Es ist möglich, dass die optische Erfassungseinrichtung eine mehrkanalige Erfassungseinrichtung, z.B. eine RGB-Kamera, ist.It is possible that the optical detection device is a multi-channel detection device, e.g. an RGB camera.

Das beschriebene Verfahren ermöglicht eine zeitlich schnelle Erzeugung von genauen Messwerten, insbesondere da die Bestimmung der Fokusablage zur Korrektur in einem Vorbereitungsschritt zur Erzeugung der Messwerte erfolgen kann.The described method enables a rapid generation of accurate measurement values, in particular since the determination of the focus offset for correction can be carried out in a preparatory step for generating the measurement values.

In einer weiteren Ausführungsform wird eine resultierende Fokusablage in Abhängigkeit von mehreren bildpunktspezifischen Fokusablagen bestimmt, wobei der korrigierte Messwert in Abhängigkeit der resultierenden Fokusablage bestimmt wird. So kann die resultierende Fokusablage z.B. als Mittelwert von mehreren bildpunktspezifischen Fokusablagen bestimmt werden, wobei die Bildpunkte, deren Fokusablagen berücksichtigt werden, von einem Nutzer ausgewählt werden können. Hierzu kann z.B. ein Nutzer über entsprechende Eingabemittel, z.B. eine Maus, eine Tastatur oder ein Stift, die zur Fokusbestimmung gewünschten Bildpunkte selektieren, wobei dann, wie vorhergehend erläutert, die resultierende Fokusablage zur Korrektur des Messwerts bestimmt werden kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Bildpunkte automatisiert ausgewählt werden.In a further embodiment, a resulting focus offset is determined depending on several pixel-specific focus offsets, wherein the corrected measured value is determined depending on the resulting focus offset. For example, the resulting focus offset can be determined as the mean value of several pixel-specific focus offsets, wherein the pixels whose focus offsets are taken into account can be selected by a user. For this purpose, a user can, for example, use appropriate input devices, e.g. a mouse, a keyboard or a pen, to select the pixels desired for focus determination, wherein then, as previously explained, the resulting focus offset can be determined to correct the measured value. Of course, it is also possible for the pixels to be selected automatically.

Weiter vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Bestimmung einer objektabhängigen Fokusablage eines optischen Erfassungssystems zur Abbildung eines Objekts, welches mindestens eine optische Erfassungseinrichtung und mindestens ein optisches Element zur Abbildung umfasst. Dies wurde vorhergehend bereits erläutert. Die Vorrichtung umfasst eine Auswerteeinrichtung und Mittel zur Erzeugung von Abbildern des Objekts durch Erfassen einer vom Objekt reflektierten Strahlung mit verschiedenen Wellenlängen oder Wellenlängen aus verschiedenen Wellenlängenbereichen. Die Vorrichtung ist konfiguriert, ein Verfahren gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen auszuführen. Insbesondere kann mittels der Auswerteeinrichtung die vorhergehend erläuterte Bestimmung von bildpunktspezifischen Intensitätswerten sowie das Bestimmen der bildpunktspezifischen Fokusablage erfolgen. Mittels der Mittel zur Erzeugung von Abbildern des Objekts können die vorhergehend erläuterten Schritte des Erzeugens eines ersten Abbilds und mindestens eines weiteren Abbilds durchgeführt werden. Die Vorrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise die zuverlässige und genaue Bestimmung der Fokusablage.A device is also proposed for determining an object-dependent focus offset of an optical detection system for imaging an object, which comprises at least one optical detection device and at least one optical element for imaging. This has already been explained above. The device comprises an evaluation device and means for generating images of the object by detecting radiation reflected from the object with different wavelengths or wavelengths from different wavelength ranges. The device is configured to carry out a method according to one of the embodiments described in this disclosure. In particular, the previously explained determination of pixel-specific intensity values and the determination of the pixel-specific focus offset can be carried out by means of the evaluation device. The previously explained steps of generating a first image and at least one further image can be carried out by means of the means for generating images of the object. The device advantageously enables the reliable and precise determination of the focus offset.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung mindestens ein Strahlungsfilterelement zur Filterung von Strahlung, wobei das Objekt mit der vom Filterelement gefilterten Strahlung beaufschlagt oder vom Objekt reflektierte Strahlung von dem Filterelement gefiltert wird. Dies und entsprechende Vorteile wurden vorhergehend bereits erläutert.In a further embodiment, the device comprises at least one radiation filter element for filtering radiation, wherein the object is exposed to the radiation filtered by the filter element or radiation reflected by the object is filtered by the filter element. This and corresponding advantages have already been explained above.

Weiter vorgeschlagen wird ein Koordinatenmessgerät zur optischen Vermessung eines Objekts, umfassend eine optisches Erfassungssystem, eine Vorrichtung zur Bestimmung einer objektabhängigen Fokusablage gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen und eine Auswerteeinrichtung, wobei das Koordinatenmessgerät konfiguriert ist, ein Verfahren zur Vermessung eines Objekts gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen. Dies ermöglicht, wie ebenfalls vorhergehend erläutert, eine genaue und zuverlässige Bestimmung von Messwerten.Also proposed is a coordinate measuring machine for optically measuring an object, comprising an optical detection system, a device for determining an object-dependent focus offset according to one of the embodiments described in this disclosure and an evaluation device, wherein the coordinate measuring machine is configured to carry out a method for measuring an object according to one of the embodiments described in this disclosure. This enables, as also explained above, an accurate and reliable determination of measured values.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer weiteren Ausführungsform,
  • 3 einen exemplarischen Verlauf einer chromatischen Längsabweichung eines optischen Elements sowie von Intensitätswerten eines Pixels über der Wellenlänge,
  • 4 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer objektabhängigen Fokusablage,
  • 5 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vermessung eines Objekts,
  • 6a ein beispielhaftes Spektrum der von einer Beleuchtungseinrichtung emittierten Strahlung,
  • 6b ein beispielhaftes Spektrum der durch ein optisches Element im Beleuchtungsstrahlengang gestrahlten Strahlung,
  • 6c ein beispielhaftes Spektrum einer von einem Weiß-Normal reflektierten Strahlung unter Beleuchtung der von der Beleuchtungseinrichtung durch das optische Element im Beleuchtungsstrahlengang gestrahlten Strahlung,
  • 6d ein beispielhaftes Spektrum einer von einem Objekt reflektierten und gefilterten Strahlung unter Beleuchtung der von der Beleuchtungseinrichtung durch das optische Element im Beleuchtungsstrahlengang gestrahlten Strahlung,
  • 6e eine beispielhafte Darstellung einer chromatischen Längsabweichung eines optischen Elements im Abbildungsstrahlengang,
  • 6f eine beispielhafte Überlagerung der chromatischen Längsabweichung mit der reflektierten und gefilterten Strahlung.
The invention is explained in more detail using exemplary embodiments. The figures show:
  • 1 a schematic representation of a device according to the invention,
  • 2 a schematic representation of a device according to the invention in a further embodiment,
  • 3 an exemplary course of a chromatic longitudinal deviation of an optical element as well as of intensity values of a pixel over the wavelength,
  • 4 a schematic flow diagram of a method according to the invention for determining an object-dependent focus offset,
  • 5 a schematic flow diagram of a method according to the invention for measuring an object,
  • 6a an exemplary spectrum of the radiation emitted by a lighting device,
  • 6b an exemplary spectrum of the radiation emitted by an optical element in the illumination beam path,
  • 6c an exemplary spectrum of radiation reflected from a white standard under illumination of the radiation emitted by the illumination device through the optical element in the illumination beam path,
  • 6d an exemplary spectrum of radiation reflected and filtered by an object under illumination of the radiation emitted by the lighting device through the optical element in the illumination beam path,
  • 6e an exemplary representation of a chromatic longitudinal deviation of an optical element in the imaging beam path,
  • 6f an exemplary superposition of the longitudinal chromatic aberration with the reflected and filtered radiation.

Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.In the following, the same reference symbols designate elements with the same or similar technical features.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Bestimmung einer objektabhängigen Fokusablage FA eines optischen Erfassungssystems 2 zur Abbildung eines Objekts 3. Das optische Erfassungssystem 2 umfasst ein z.B. als Linse ausgebildetes optisches Element 4 mit einer vorbekannten chromatischen Längsabweichung. Weiter umfasst das optische Erfassungssystem 2 eine optische Erfassungseinrichtung 5, beispielsweise eine Bilderfassungseinrichtung, die z.B. einen als CCD-Sensor ausgebildeten Bildsensor mit einer Sensorfläche umfassen kann. Die Vorrichtung 1 umfasst weiter eine Auswerteeinrichtung 6, die als Recheneinrichtung, insbesondere als Mikrocontroller, oder integrierte Schaltung ausgebildet sein oder eine(n) solche umfassen kann. Die optische Erfassungseinrichtung 5 und die Auswerteeinrichtung 6 sind über eine Daten- und/oder Signalleitung verbunden. 1 shows a schematic representation of a device 1 according to the invention for determining an object-dependent focus offset FA of an optical detection system 2 for imaging an object 3. The optical detection system 2 comprises an optical element 4, designed, for example, as a lens, with a previously known chromatic longitudinal deviation. The optical detection system 2 also comprises an optical detection device 5, for example an image detection device, which can, for example, comprise an image sensor designed as a CCD sensor with a sensor surface. The device 1 also comprises an evaluation device 6, which can be designed as a computing device, in particular as a microcontroller, or integrated circuit or can comprise one of these. The optical detection device 5 and the evaluation device 6 are connected via a data and/or signal line.

Weiter dargestellt ist eine Beleuchtungseinrichtung 7, die Strahlung zum Beleuchten des Objekts 3 erzeugen kann. Die Beleuchtungseinrichtung 7 kann ebenfalls ein Element des optischen Erfassungssystems 2 sein. Weiter dargestellt ist ein weiteres optisches Element 8, durch welches von der Beleuchtungseinrichtung 7 erzeugte Strahlung auf das Objekt 3 geführt wird. Auch dieses weitere optische Element 8, welches z.B. als Linse ausgeführt sein kann, kann ein Element des optischen Erfassungssystems 2 sein. Durch Pfeile dargestellt ist ein Verlauf der von der Beleuchtungseinrichtung 7 erzeugten Strahlung. Diese strahlt nach der Erzeugung von der Beleuchtungseinrichtung 7 durch das weitere optische Element 8 und strahlt dann auf das Objekt 3 ein. Von dem Objekt 3 reflektierte oder gestreute Strahlung tritt durch das optische Element 4 hindurch auf die optische Erfassungseinrichtung 5, die dann ein insbesondere zweidimensionales Abbild mit einer vorbestimmten Anzahl von Bildpunkten erzeugen kann, wobei Intensitätswerte der Bildpunkte eine Intensität der auf der Sensorfläche der optischen Erfassungseinrichtung 5 eingestrahlten Strahlung repräsentieren. Die optische Erfassungseinrichtung 5 kann eine mehrkanalige oder eine monochromatische Erfassungseinrichtung sein. Somit kann die optische Erfassungseinrichtung Signale in mehreren Kanälen bereitstellen, wobei diese die Intensität in unterschiedlichen Spektralbereichen präsentieren, z.B. einen Rot-Anteil, einen Grün-Anteil und einen Blau-Anteil der auf die Sensorfläche eingestrahlten Strahlung.Also shown is an illumination device 7 that can generate radiation to illuminate the object 3. The illumination device 7 can also be an element of the optical detection system 2. Also shown is a further optical element 8, through which radiation generated by the illumination device 7 is guided onto the object 3. This further optical element 8, which can be designed as a lens, for example, can also be an element of the optical detection system 2. Arrows show the path of the radiation generated by the illumination device 7. After being generated by the illumination device 7, this radiation radiates through the further optical element 8 and then radiates onto the object 3. Radiation reflected or scattered by the object 3 passes through the optical element 4 onto the optical detection device 5, which can then generate a particularly two-dimensional image with a predetermined number of pixels, wherein intensity values of the pixels represent an intensity of the radiation radiated onto the sensor surface of the optical detection device 5. The optical detection device 5 can be a multi-channel or a monochromatic detection device. Thus, the optical detection device can provide signals in several channels, which present the intensity in different spectral ranges, e.g. a red component, a green component and a blue component of the radiation radiated onto the sensor surface.

Das Spektrum der in das optische Element 4 eintretenden Strahlung ist abhängig von einem Beleuchtungsspektrum, Transmissionseigenschaften der Beleuchtungsoptik, also des weiteren optischen Elements 8 sowie den Reflexions-/Transmissionseigenschaften des Objekts 3. Da zumindest letztere zum Zeitpunkt der Abbildung unbekannt sind, ergibt sich eine prüflingsabhängige Fokusablage bzw. Messabweichung, die korrigiert werden soll.The spectrum of the radiation entering the optical element 4 depends on an illumination spectrum, transmission properties of the illumination optics, i.e. of the further optical element 8, and the reflection/transmission properties of the object 3. Since at least the latter are unknown at the time of imaging, a test object-dependent focus offset or measurement deviation results, which is to be corrected.

Das in 1 dargestellte optische Erfassungssystem 2 sowie die Auswerteeinrichtung 6 ermöglichen die Ausführung des in Bezug auf 4 erläuterten Verfahrens zur Bestimmung einer objektabhängigen Fokusablage des optischen Erfassungssystems 2. Insbesondere können sequenziell verschiedene Abbilder des Objekts 3 durch Erfassen der vom Objekt 3 reflektierten Strahlung erzeugt werden, wobei die zur Erzeugung dieser Abbilder dienenden Strahlung jeweils verschiedene Wellenlängen aufweisen bzw. Wellenlängen aus verschiedenen Wellenlängenbereichen umfassen. Hierzu kann z.B. die Beleuchtungseinrichtung 7 derart angesteuert werden, dass zur Erzeugung verschiedener Abbilder jeweils Strahlung mit verschiedenen Strahlungseigenschaften erzeugt wird.The 1 The optical detection system 2 shown and the evaluation device 6 enable the execution of the 4 explained method for determining an object-dependent focus offset of the optical detection system 2. In particular, different images of the object 3 can be generated sequentially by detecting the radiation reflected by the object 3, wherein the radiation used to generate these images each have different wavelengths or comprise wavelengths from different wavelength ranges. For this purpose, for example, the lighting device 7 can be controlled in such a way that radiation with different radiation properties is generated to generate different images.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst das optische Erfassungssystem 1 ein erstes optisches Filterelement 9a und ein weiteres optisches Filterelement 9b. Dargestellt ist, dass diese Filterelemente 9a, 9b in einem Beobachtungsstrahlengang angeordnet sind, wobei dieser Beobachtungsstrahlengang die vom Objekt 3 reflektierte oder gestreute Strahlung zum Sensor der optischen Erfassungseinrichtung 5 leitet. Dargestellt ist, dass die Filterelemente 9a, 9b in Strahlrichtung vor dem ersten optischen Element 4 angeordnet sind. Selbstverständlich ist es möglich, beide Filterelemente 9a, 9b hinter dem ersten optischen Element 4 bzw. das erste optische Element 9a vor und das weitere optische Element 9b hinter dem ersten optischen Element 4. Weiter alternativ ist es möglich, die optischen Filterelemente 9a, 9b zumindest teilweise in dem Beleuchtungsstrahlengang anzuordnen, welcher die Strahlung von der Beleuchtungseinrichtung 7 hin zum Objekt 3 führt. 2 shows a schematic representation of a device 1 according to the invention in a further embodiment. In contrast to the device in 1 In the embodiment shown, the optical detection system 1 comprises a first optical filter element 9a and a further optical filter element 9b. It is shown that these filter elements 9a, 9b are arranged in an observation beam path, this observation beam path directs the radiation reflected or scattered by the object 3 to the sensor of the optical detection device 5. It is shown that the filter elements 9a, 9b are arranged in front of the first optical element 4 in the beam direction. It is of course possible to arrange both filter elements 9a, 9b behind the first optical element 4 or the first optical element 9a in front of and the further optical element 9b behind the first optical element 4. As a further alternative, it is possible to arrange the optical filter elements 9a, 9b at least partially in the illumination beam path which guides the radiation from the illumination device 7 to the object 3.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist sowohl das erste Filterelement 9a als auch das weitere Filterelement 9b als variables Filterelement ausgebildet. Ferner sind die beiden Filterelemente 9a, 9b beweglich im (Beobachtungs-)Strahlengang gelagert. Insbesondere kann eine Einstrahlfläche der Filterelemente 9a, 9b senkrecht zur Hauptstrahlrichtung der vom Objekt 3 reflektierten oder gestreuten Strahlung bewegt werden, wobei sich die Filtereigenschaften der variablen Filterelemente 9a, 9b in Abhängigkeit eines Einstrahlorts bzw. -abschnitts verändern, also auf verschiedenen Einstrahlorten auftreffende Strahlung in verschiedener Weise gefiltert wird. Das erste Filterelement 9a weist Hochpasseigenschaften auf, während das weitere Filterelement 9b Tiefpasseigenschaften aufweist. Selbstverständlich ist auch eine umgekehrte Reihenfolge dieser Eigenschaften vorstellbar. In Gesamtheit stellen die Filterelemente 9a, 9b einen Bandpassfilter dar, dessen Mittenfrequenz durch eine Bewegung des ersten und/oder des weiteren Filterelements 9a, 9b verändert werden kann. Selbiges gilt für die Größe des Durchlassbereichs des bereitgestellten Bandpassfilters.In the embodiment shown, both the first filter element 9a and the further filter element 9b are designed as variable filter elements. Furthermore, the two filter elements 9a, 9b are movably mounted in the (observation) beam path. In particular, an incident surface of the filter elements 9a, 9b can be moved perpendicular to the main beam direction of the radiation reflected or scattered by the object 3, whereby the filter properties of the variable filter elements 9a, 9b change depending on an incident location or section, i.e. radiation impinging on different incident locations is filtered in different ways. The first filter element 9a has high-pass properties, while the further filter element 9b has low-pass properties. Of course, a reverse order of these properties is also conceivable. As a whole, the filter elements 9a, 9b represent a bandpass filter whose center frequency can be changed by moving the first and/or the further filter element 9a, 9b. The same applies to the size of the passband of the bandpass filter provided.

Zur Erzeugung der verschiedenen Abbilder des Objekts kann mindestens eines der beiden Filterelemente 9a, 9b in verschiedene Positionen bewegt werden, wodurch sich die Eigenschaften des Bandpassfilters (Mittenfrequenz und Durchlassbereich) verändern und somit auch die spektralen Eigenschaften der auf der Sensorfläche der optischen Erfassungseinrichtung 5 eintreffende Strahlung. Der Vollständigkeit halber wird ergänzt, dass die Verwendung von zwei linearen Filterelementen 9a, 9b zwar eine bevorzugte Ausführungsform darstellt, das Erzeugen verschiedener Abbilder jedoch auch auf andere Weisen ermöglicht ist. Z.B. ist es vorstellbar, dass nur ein einzelnes Bandpass-Filterelement, insbesondere mit veränderbaren Filtereigenschaften, im Strahlengang angeordnet wird, um die zum Erzeugen der Abbilder erzeugte Strahlung bereitzustellen.To generate the different images of the object, at least one of the two filter elements 9a, 9b can be moved into different positions, which changes the properties of the bandpass filter (center frequency and passband) and thus also the spectral properties of the radiation arriving on the sensor surface of the optical detection device 5. For the sake of completeness, it should be added that the use of two linear filter elements 9a, 9b is a preferred embodiment, but the generation of different images is also possible in other ways. For example, it is conceivable that only a single bandpass filter element, in particular with variable filter properties, is arranged in the beam path in order to provide the radiation generated to generate the images.

Weiter alternativ kann statt linearen Filterelementen 9a, 9b auch jeweils ein Gradientenfilterelement verwendet werden. Die variablen Filterelemente 9a, 9b sind im dargestellten Ausführungsbeispiel linear beweglich. Es ist auch möglich, ein zirkulär variables Filterelement zu verwenden, welches eine Rotationsbewegung zur Veränderung der Filtereigenschaften durchführt.Alternatively, instead of linear filter elements 9a, 9b, a gradient filter element can also be used. The variable filter elements 9a, 9b are linearly movable in the embodiment shown. It is also possible to use a circularly variable filter element which performs a rotational movement to change the filter properties.

Für die Bewegung der Filterelemente 9a, 9b kann die Vorrichtung 1, insbesondere das optische Erfassungssystem 2, geeignete Aktoren (nicht dargestellt) umfassen, die z.B. von der Auswerteeinrichtung 6 angesteuert werden können, um die vorhergehend erläuterten verschiedenen Abbilder zu erzeugen.For the movement of the filter elements 9a, 9b, the device 1, in particular the optical detection system 2, can comprise suitable actuators (not shown), which can be controlled, for example, by the evaluation device 6 in order to generate the various images explained above.

3 zeigt einen schematischen Verlauf der chromatischen Längsabweichung CHL über der Wellenlängen λ im Bereich von 400 bis 700 nm. Dieser Verlauf kann abhängig von einer Zoomeinstellung des optischen Erfassungssystems 1 sein. Die durchgezogene Linie in 3 repräsentiert hierbei die von dem ersten optischen Element 4 induzierte chromatische Längsabweichung CHL für verschiedene Wellenlängen (Verlauf 10). Durch eine gestrichelte Linie schematisch dargestellt ist ein normierter Verlauf 11 der Intensitätswerte für einen Bildpunkt über verschiedene Wellenlängen. Der Verlauf 11 entsteht, in dem - wie vorhergehend erläutert - Abbilder mit verschiedenen Wellenlängen erzeugt werden. Beispielsweise ist es vorstellbar, die Wellenlängen zur Erzeugung verschiedener Abbilder bzw. die Zentralwellenlängen von Wellenlängenbereichen zur Erzeugung dieser verschiedenen Abbilder um einen vorbestimmten Betrag, beispielsweise 5 nm, in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich, hier beispielsweise von 400 bis 700 nm, zu erhöhen und somit eine Vielzahl von Abbildern zu erzeugen. In diesen Abbildern kann dann der Intensitätswert des entsprechenden Bildpunkts bestimmt werden. Dieser Verlauf enthält somit Informationen über die objektinduzierte Auswirkungen auf die Fokusablage, die dadurch bedingt ist, dass das Objekt 3 verschiedene Wellenlängen in verschiedener Art reflektiert bzw. streut. 3 shows a schematic progression of the chromatic longitudinal deviation CHL over the wavelength λ in the range from 400 to 700 nm. This progression may depend on a zoom setting of the optical detection system 1. The solid line in 3 represents the chromatic longitudinal deviation CHL induced by the first optical element 4 for different wavelengths (curve 10). A dashed line schematically shows a standardized curve 11 of the intensity values for a pixel over different wavelengths. The curve 11 is created by - as explained above - generating images with different wavelengths. For example, it is conceivable to increase the wavelengths for generating different images or the central wavelengths of wavelength ranges for generating these different images by a predetermined amount, for example 5 nm, in a predetermined wavelength range, here for example from 400 to 700 nm, and thus to generate a large number of images. The intensity value of the corresponding pixel can then be determined in these images. This curve therefore contains information about the object-induced effects on the focus offset, which is caused by the fact that the object 3 reflects or scatters different wavelengths in different ways.

Eine resultierende Fokusablage kann dann bestimmt werden, indem der wellenlängenabhängige Verlauf 10 der chromatischen Längsabweichung des optischen Elements 4 mit dem wellenlängenabhängigen Verlauf 11 der Pixel-Intensitätswerte gewichtet wird. So können die Werte dieser Verläufe für die gleiche Wellenlänge z.B. über den gesamten Wellenlängenbereich miteinander multipliziert werden.A resulting focus offset can then be determined by weighting the wavelength-dependent curve 10 of the longitudinal chromatic deviation of the optical element 4 with the wavelength-dependent curve 11 of the pixel intensity values. The values of these curves for the same wavelength can be multiplied with each other, e.g. over the entire wavelength range.

Die Fokusablage kann dann als Mittelwert des gewichteten Verlaufs bestimmt werden. Durch eine Strichpunktline 13 exemplarisch dargestellt ist der gewichtete Verlauf, dessen Mittelwert über alle Wellenlängen dann die resultierende Fokusablage bildet.The focus offset can then be determined as the mean value of the weighted curve. The weighted curve is shown as an example by a dash-dot line 13, the mean value of which over all wavelengths then forms the resulting focus offset.

4 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer objektabhängigen Fokusablage eines optischen Erfassungssystems 2 (siehe z.B. 2). 4 shows a schematic flow diagram of a method according to the invention for determining an object-dependent focus offset of an optical detection system 2 (see e.g. 2 ).

In einem ersten Teilschritt eines ersten Schritts S1 wird ein erstes Abbild des Objekts 3 durch Erfassen einer vom Objekt 3 reflektierten ersten Strahlung erzeugt und in einem weiteren Teilschritt dieses ersten Schritts S1 die bildpunktspezifischen Intensitätswerte für einen oder mehrere Bildpunkt(e) in dem ersten Abbild bestimmt. In einem ersten Teilschritt eines zweiten Schritts S2 wird ein zweites Abbild des Objekts 3 erzeugt und in einem zweiten Teilschritt die bildpunktspezifischen Intensitätswerte für den/die Bildpunkt(e) bestimmt. In einem ersten Teilschritt eines dritten Schritts S3 wird ein drittes Abbild des Objekts 3 erzeugt, wobei in einem zweiten Teilschritt wiederum die bildpunktspezifischen Intensitätswerte für den/die Bildpunkt(e) bestimmt werden. In 4 ist dargestellt, dass dieses Erzeugen und Bestimmen für eine vorbestimmte Anzahl n von Wellenlängen erfolgen kann, wobei jedes der Abbilder mit einer Strahlung verschiedener Wellenlänge oder mit Strahlung aus verschiedenen Wellenlängenbereichen erzeugt wird.In a first sub-step of a first step S1, a first image of the object 3 is generated by detecting a first radiation reflected by the object 3, and in a further sub-step of this first step S1, the pixel-specific intensity values for one or more pixels in the first image are determined. In a first sub-step of a second step S2, a second image of the object 3 is generated, and in a second sub-step the pixel-specific intensity values for the pixel(s) are determined. In a first sub-step of a third step S3, a third image of the object 3 is generated, wherein in a second sub-step the pixel-specific intensity values for the pixel(s) are again determined. In 4 It is shown that this generation and determination can be carried out for a predetermined number n of wavelengths, wherein each of the images is generated with radiation of a different wavelength or with radiation from different wavelength ranges.

Dann erfolgt in einem Bestimmungsschritt SB das Bestimmen der bildpunktspezifischen Fokusablage zumindest in Abhängigkeit der Intensitätswerte und einer vorbestimmten chromatischen Längsabweichung CHL des mindestens einen optischen Elements 4. Dies wurde vorhergehend bereits erläutert.Then, in a determination step SB, the pixel-specific focus offset is determined at least as a function of the intensity values and a predetermined chromatic longitudinal deviation CHL of the at least one optical element 4. This has already been explained above.

5 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vermessung eines Objekts 3 (siehe z.B. 2) mit einem optischen Koordinatenmessgerät. Hierbei wird in einem Fokusablagebestimmungsschritt FAB eine Fokusablage bestimmt. In diesem Bestimmungsschritt FAB können die in 4 dargestellten Schritte ausgeführt werden. In einem Messschritt MS wird dann ein Messwert erzeugt, wobei der Messwert in Abhängigkeit einer eingestellten Fokuslage des optischen Erfassungssystems 2 des Koordinatenmessgeräts bestimmt wird. Der Messschritt MS umfasst hierbei einen Korrekturschritt, in dem die Fokuslage in Abhängigkeit der vorab bestimmten Fokusablage korrigiert wird. Insgesamt wird somit also ein korrigierter Messwert bestimmt. In 5 ist dargestellt, dass die Fokusablage zeitlich vor der Erzeugung des Messwerts bestimmt wird. 5 shows a schematic flow diagram of a method according to the invention for measuring an object 3 (see e.g. 2 ) with an optical coordinate measuring machine. In this case, a focus offset is determined in a focus offset determination step FAB. In this determination step FAB, the 4 The steps shown are carried out. In a measuring step MS, a measured value is then generated, whereby the measured value is determined depending on a set focus position of the optical detection system 2 of the coordinate measuring machine. The measuring step MS includes a correction step in which the focus position is corrected depending on the previously determined focus offset. Overall, a corrected measured value is thus determined. In 5 It is shown that the focus offset is determined in time before the measured value is generated.

6a zeigt ein beispielhaftes normiertes Spektrum der von einer Beleuchtungseinrichtung 7 emittierten Strahlung. Diese erzeugt Strahlung mit konstanter Intensität für alle Wellenlängen in einem Bereich von 400 nm bis 700 nm. Diese Strahlung wird durch ein optisches Element 8 im Beleuchtungsstrahlengang auf ein Objekt 3 gestrahlt. 6b zeigt ein beispielhaftes normiertes Spektrum der durch das optische Element 8 im Beleuchtungsstrahlengang gestrahlten Strahlung. Ersichtlich ist, dass durch das optische Element 8 im Beleuchtungsstrahlengang Wellenlängen im Bereich von 400 nm bis 500 nm herausgefiltert wurden. 6c zeigt ein beispielhaftes normiertes Spektrum einer von einem Weiß-Normal reflektierten Strahlung. Dieses entspricht der durch das optische Element 8 im Beleuchtungsstrahlengang gestrahlten Strahlung. 6d zeigt ein beispielhaftes normiertes Spektrum einer von einem Objekt 3 reflektierten und gefilterten Strahlung. Ersichtlich ist, dass ein schmaler Wellenlängenbereich aus der reflektierten Strahlung herausgefiltert wurde, wobei die Intensität der reflektierten Strahlung in diesem herausgefilterten Wellenlängenbereich konstant ist. Insbesondere kann genau ein Abbild mit dieser gefilterten Strahlung erzeugt werden. 6a shows an exemplary standardized spectrum of the radiation emitted by an illumination device 7. This generates radiation with constant intensity for all wavelengths in a range from 400 nm to 700 nm. This radiation is radiated onto an object 3 by an optical element 8 in the illumination beam path. 6b shows an example of a standardized spectrum of the radiation emitted by the optical element 8 in the illumination beam path. It can be seen that wavelengths in the range of 400 nm to 500 nm were filtered out by the optical element 8 in the illumination beam path. 6c shows an example of a standardized spectrum of radiation reflected from a white standard. This corresponds to the radiation emitted by the optical element 8 in the illumination beam path. 6d shows an example of a standardized spectrum of radiation reflected and filtered by an object 3. It can be seen that a narrow wavelength range was filtered out of the reflected radiation, whereby the intensity of the reflected radiation is constant in this filtered wavelength range. In particular, exactly one image can be generated with this filtered radiation.

6e zeigt eine beispielhafte Darstellung einer chromatischen Längsabweichung CHL eines optischen Elements 4 im Abbildungsstrahlengang über der Wellenlängen λ im Bereich von 400 bis 700 nm. 6f zeigt eine beispielhafte Überlagerung der chromatischen Längsabweichung CHL mit der reflektierten und gefilterten Strahlung. Der Mittelwert des schraffiert gekennzeichneten Bereichs entspricht der zu bestimmenden chromatischen Längsabweichung für die Strahlung mit Wellenlängen aus dem gefilterten Wellenlängenbereich. So kann die chromatischen Längsabweichung CHL des optischen Elements 4 mit dem Spektrum der gefilterten Strahlung gewichtet werden, z.B. indem für gleichen Wellenlänge die Werte der chromatischen Längsabweichung mit dem Intensitätswert des gefilterten Spektrums multipliziert werden. Dann kann der Mittelwert dieses gewichteten Verlaufs als die zu bestimmende wirksame chromatische Längsabweichung für die Strahlung mit Wellenlängen aus dem gefilterten Wellenlängenbereich bestimmt werden. 6e shows an exemplary representation of a chromatic longitudinal deviation CHL of an optical element 4 in the imaging beam path over the wavelength λ in the range from 400 to 700 nm. 6f shows an example of the superposition of the longitudinal chromatic deviation CHL with the reflected and filtered radiation. The mean value of the hatched area corresponds to the longitudinal chromatic deviation to be determined for the radiation with wavelengths from the filtered wavelength range. The longitudinal chromatic deviation CHL of the optical element 4 can thus be weighted with the spectrum of the filtered radiation, e.g. by multiplying the values of the longitudinal chromatic deviation with the intensity value of the filtered spectrum for the same wavelength. The mean value of this weighted curve can then be determined as the effective longitudinal chromatic deviation to be determined for the radiation with wavelengths from the filtered wavelength range.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

11
Vorrichtungdevice
22
optisches Erfassungssystemoptical detection system
33
Objektobject
44
erstes optisches Elementfirst optical element
55
optische Erfassungseinrichtungoptical detection device
66
Auswerteeinrichtungevaluation device
77
Beleuchtungseinrichtunglighting equipment
88
weiteres optisches Elementadditional optical element
9a, 9b9a, 9b
Filterelementfilter element
1010
Verlauf der chromatischen LängsabweichungCourse of the longitudinal chromatic aberration
1111
Intensitätswertverlaufintensity value curve
1313
gewichteter Verlaufweighted course
S1, Sc2, S3, SNS1, Sc2, S3, SN
Schrittesteps
SBSB
Bestimmungsschrittdetermination step
FABFAB
Fokusablagebestimmungsschrittfocus offset determination step
MSMS
Messschrittmeasurement step
CHLCHL
chromatische Längsabweichunglongitudinal chromatic aberration
λλ
Wellenlängewavelength

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Claims (13)

Verfahren zur Bestimmung einer objektabhängigen Fokusablage eines optischen Erfassungssystems (2) zur Abbildung eines Objekts (3), welches mindestens eine optische Erfassungseinrichtung (5) und mindestens ein optisches Element (4) zur Abbildung umfasst, umfassend die Schritte: - Erzeugen eines ersten Abbilds des Objekts (3) durch Erfassen einer vom Objekt (3) reflektierten ersten Strahlung, - Erzeugen mindestens eines weiteren Abbilds des Objekts (3) durch Erfassen einer vom Objekt (3) reflektierten weiteren Strahlung, wobei die erste Strahlung und die weitere Strahlung verschiedene Wellenlängen aufweisen oder Wellenlängen aus verschiedenen Wellenlängenbereichen umfassen, - Bestimmen der bildpunktspezifischen Intensitätswerte im ersten und im mindestens einen weiteren Abbild für zumindest einen Bildpunkt in den Abbildern, - Bestimmen der bildpunktspezifischen Fokusablage zumindest in Abhängigkeit der Intensitätswerte und einer vorbestimmten chromatischen Längsabweichung (CHL) des mindestens einen optischen Elements (4).Method for determining an object-dependent focus offset of an optical detection system (2) for imaging an object (3), which comprises at least one optical detection device (5) and at least one optical element (4) for imaging, comprising the steps: - generating a first image of the object (3) by detecting a first radiation reflected by the object (3), - generating at least one further image of the object (3) by detecting a further radiation reflected by the object (3), wherein the first radiation and the further radiation have different wavelengths or comprise wavelengths from different wavelength ranges, - determining the pixel-specific intensity values in the first and in the at least one further image for at least one pixel in the images, - determining the pixel-specific focus offset at least as a function of the intensity values and a predetermined chromatic longitudinal deviation (CHL) of the at least one optical element (4). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung, die zur Erzeugung der Abbilder dient, durch eine Strahlungsfilterung bereitgestellt wird.procedure according to claim 1 , characterized in that the radiation used to generate the images is provided by radiation filtering. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsfilterung in einem Beleuchtungsstrahlengang und/oder in einem Beobachtungsstrahlengang erfolgt.procedure according to claim 2 , characterized in that the radiation filtering takes place in an illumination beam path and/or in an observation beam path. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung, die zur Erzeugung der Abbilder dient, durch eine Filterung mit mindestens einem Gradientenfilter oder mit mindestens einem variablen Filter (9a, 9b) bereitgestellt wird.procedure according to claim 2 or 3 , characterized in that the radiation which serves to generate the images is provided by filtering with at least one gradient filter or with at least one variable filter (9a, 9b). Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gewichteter Verlauf durch Gewichtung eines wellenlängenabhängigen Verlaufs der vorbestimmten chromatischen Längsabweichung (CHL) mit einem wellenlängenabhängigen Verlauf der bestimmten Intensitätswerte bestimmt wird, wobei die Fokusablage als Mittelwert des gewichteten Verlaufs bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a weighted curve is determined by weighting a wavelength-dependent curve of the predetermined chromatic longitudinal deviation (CHL) with a wavelength-dependent curve of the determined intensity values, wherein the focus offset is determined as the mean value of the weighted curve. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokusablage zusätzlich in Abhängigkeit eines Referenz-Empfängerspektrums bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the focus offset is additionally determined as a function of a reference receiver spectrum. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bildrate der Bilderfassungseinrichtung (5) einer Erfassungsrate der Abbilder mit verschiedenen Wellenlängen oder verschiedenen Wellenlängenbereichen oder einem ganzzahligen Vielfachen der Erfassungsrate entspricht.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an image rate of the image capture device (5) corresponds to a capture rate of the images with different wavelengths or different wavelength ranges or an integer multiple of the capture rate. Verfahren zur Vermessung eines Objekts (3) mit einem optischen Koordinatenmessgerät, wobei ein Messwert in Abhängigkeit einer Fokuslage eines optischen Erfassungssystems (2) des Koordinatenmessgeräts bestimmt wird, wobei eine Fokusablage mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 bestimmt wird, wobei ein korrigierter Messwert in Abhängigkeit der Fokusablage bestimmt wird.Method for measuring an object (3) with an optical coordinate measuring machine, wherein a measured value is determined as a function of a focus position of an optical detection system (2) of the coordinate measuring machine, wherein a focus offset is determined using a method according to one of the Claims 1 until 7 is determined, whereby a corrected measured value is determined depending on the focus offset. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokusablage zeitlich vor der Erzeugung des Messwerts bestimmt wird.procedure according to claim 8 , characterized in that the focus offset is determined in time before the measured value is generated. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine resultierende Fokusablage in Abhängigkeit von mehreren bildpunktspezifischen Fokusablagen bestimmt wird, wobei der korrigierte Messwert in Abhängigkeit der resultierenden Fokusablage bestimmt wird.Method according to one of the Claims 8 or 9 , characterized in that a resulting focus offset is determined as a function of several pixel-specific focus offsets, wherein the corrected measured value is determined as a function of the resulting focus offset. Vorrichtung zur Bestimmung einer objektabhängigen Fokusablage eines optisches Erfassungssystems (2) zur Abbildung eines Objekts (3), welches mindestens eine optische Erfassungseinrichtung (5) und mindestens ein optisches Element (4) zur Abbildung umfasst, wobei die Vorrichtung (1) eine Auswerteeinrichtung (6) und Mittel zur Erzeugung von Abbildern des Objekts (3) durch Erfassen einer vom Objekt (3) reflektierten Strahlung mit verschiedenen Wellenlängen oder Wellenlängen aus verschiedenen Wellenlängenbereichen umfasst, wobei die Vorrichtung (1) konfiguriert ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.Device for determining an object-dependent focus offset of an optical detection system (2) for imaging an object (3), which comprises at least one optical detection device (5) and at least one optical element (4) for imaging, wherein the device (1) comprises an evaluation device (6) and means for generating images of the object (3) by detecting radiation reflected from the object (3) with different wavelengths or wavelengths from different wavelength ranges, wherein the device (1) is configured to carry out a method according to one of the Claims 1 until 7 to carry out. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) mindestens ein Filterelement (9a, 9b) zur Filterung von Strahlung umfasst, wobei das Objekt (3) mit der vom Filterelement gefilterten Strahlung beaufschlagt oder vom Objekt (3) reflektierte Strahlung von dem Filterelement (9a, 9b) gefiltert wird.device according to claim 11 , characterized in that the device (1) comprises at least one filter element (9a, 9b) for filtering radiation, wherein the object (3) is exposed to the radiation filtered by the filter element or radiation reflected from the object (3) is filtered by the filter element (9a, 9b). Koordinatenmessgerät zur optischen Vermessung eines Objekts (3), umfassend ein optisches Erfassungssystem (2), eine Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12 und eine Auswerteeinrichtung (6), wobei das Koordinatenmessgerät konfiguriert ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10 durchzuführen.Coordinate measuring machine for optically measuring an object (3), comprising an optical detection system (2), a device (1) according to one of the Claims 11 or 12 and an evaluation device (6), wherein the coordinate measuring device is configured to perform a method according to one of the Claims 8 until 10 to carry out.
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