本發(fā)明涉及一種用于確定測量物體的空間性質(zhì)方法和一種相應(yīng)的測量機(jī)。特別地，本發(fā)明涉及一種用于使用已知的輪廓投影儀來測量測量物體(即使用在顯示器上提供測量物體的2D像的測量機(jī)，以便測量例如物體的位置和/或邊緣的輪廓)的方法。

背景技術(shù)：

DE 198 05040 A1公開了一種現(xiàn)有技術(shù)的測量機(jī)，其具有用于支承測量物體的工件臺并且具有布置在工件臺之上并且可以垂直地移位的攝像機(jī)。布置在工件臺之下的是光源，其在已知的透射光中照明測量物體。由攝像機(jī)記錄的像從而將測量物體顯示為剪影。然而，測量方法更具體的細(xì)節(jié)未在其中描述。

US 2010/0225666 A1公開了數(shù)字輪廓投影儀的一個(gè)例子。此輪廓投影儀產(chǎn)生測量物體的數(shù)字像，并且將測量物體的圖紙疊覆到顯示器上的像之上，從而可以檢測測量物體是否在預(yù)定的工件公差之內(nèi)對應(yīng)于圖紙。

實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的成像物體以及因此實(shí)際光學(xué)測量機(jī)的攝像機(jī)已知為總是顯示像差，所述像差可以部分地追溯到制造公差，而部分地追溯到光學(xué)設(shè)計(jì)過程中的折中和/或潛在的物理現(xiàn)象。像差表現(xiàn)實(shí)際成像光學(xué)器件與只在理論中可能的理想光學(xué)像之間的偏差。典型的像差包含球面像差，像散像差(astigmatism)，彗差(coma)，像場曲率(其他術(shù)語：焦平面偏差-FPD)以及失真。為了增加光學(xué)測量機(jī)的測量精度，由成像光學(xué)器件記錄的像的像差可以在實(shí)際的像評價(jià)之前、過程中或之后通過計(jì)算來修正，其中使用在之前的校準(zhǔn)操作中獲得的校準(zhǔn)值。US 6,538,691 B1示例性地描述計(jì)算機(jī)執(zhí)行的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)像失真的修正。

其中使用的已知的方法和測量機(jī)以及校準(zhǔn)方法還不是最優(yōu)，尤其是在成像光學(xué)器件可以調(diào)整到相對于工件臺不同的工作距離的情況下。像差時(shí)常僅對于特定的工作距離以最佳方式最小化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于此背景技術(shù)，本發(fā)明的目標(biāo)是提供在介紹部分提到類型的一種方法以及一種測量機(jī)，其允許進(jìn)行在測量時(shí)間和成本方面有效率，并且提供高測量精度的對測量物體的測量。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，此目標(biāo)通過一種用于確定測量物體的空間性質(zhì)方法實(shí)現(xiàn)，所述的方法包含步驟：

-提供光學(xué)測量機(jī)，所述光學(xué)測量機(jī)包含工件臺以及具有圖像傳感器和成像光學(xué)器件的攝像機(jī)，其中成像光學(xué)器件顯示像差，并且配置為對焦到相對于工件臺的多個(gè)不同的工作位置上，

-提供第一校準(zhǔn)值，選擇所述第一校準(zhǔn)值使得像差對于來自多個(gè)不同的工作位置的限定的工作位置最小化，

-提供表現(xiàn)攝像機(jī)的像場曲率的第二校準(zhǔn)值，

-在工件臺上定位測量物體，

-在測量物體上限定第一相關(guān)區(qū)域，

-確定攝像機(jī)至第一相關(guān)區(qū)域的第一工作距離，

-使用第一工作距離和第二校準(zhǔn)值對焦成像光學(xué)器件，使得第一相關(guān)區(qū)域被帶入限定的工作位置，

-當(dāng)?shù)谝幌嚓P(guān)區(qū)域在限定的工作位置上時(shí)，記錄第一相關(guān)區(qū)域的像，以及

-基于像并且基于第一校準(zhǔn)值確定表現(xiàn)測量物體在第一相關(guān)區(qū)域中的空間性質(zhì)測量值。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，通過用于確定測量物體的空間性質(zhì)的測量機(jī)實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，其中所述測量機(jī)包含：

工件臺以及具有圖像傳感器和成像光學(xué)器件的攝像機(jī)，其中成像光學(xué)器件顯示像差，并且配置為相對于工件臺對焦在多個(gè)不同的工作位置上，

用于提供第一校準(zhǔn)值的第一存儲器，選擇所述第一校準(zhǔn)值使得像差對于來自多個(gè)不同的工作位置的限定的工作位置最小化，

用于提供表現(xiàn)攝像機(jī)的像場曲率的第二校準(zhǔn)值的第二存儲器，以及

評價(jià)和控制單元，其具有用于限定在測量物體上的第一相關(guān)區(qū)域的界面，

其中評價(jià)和控制單元配置為用于：

a)確定攝像機(jī)至第一相關(guān)區(qū)域的第一工作距離，

b)使用第一工作距離并且使用第二校準(zhǔn)值對焦成像光學(xué)器件，使第一相關(guān)區(qū)域被帶入限定的工作位置，

c)當(dāng)?shù)谝幌嚓P(guān)區(qū)域在限定的工作位置上時(shí)，使用攝像機(jī)記錄第一相關(guān)區(qū)域的像，以及

d)基于像并且基于第一校準(zhǔn)值，確定表現(xiàn)測量物體在第一相關(guān)區(qū)域中的空間性質(zhì)的測量值。

本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)利用第一校準(zhǔn)值，選擇所述第一校準(zhǔn)值，使得對于來自多個(gè)可能的工作位置的限定的工作位置，像差(尤其是成像光學(xué)器件的個(gè)別像差)根據(jù)預(yù)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)最小化。換而言之，本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)要求校準(zhǔn)，所述校準(zhǔn)允許通過計(jì)算的方式修正光學(xué)器件的像差，例如在基于修正的像確定對于測量物體的測量值之前或甚至之后。特別地，選擇第一校準(zhǔn)值使得對于精確地(exactly)一個(gè)限定的工作距離或一個(gè)限定的工作位置的成像光學(xué)器件的失真最小化。

相對于來自多個(gè)不同的可能的工作位置的限定的工作位置的校準(zhǔn)提供最佳工作位置，即在成像光學(xué)器件前的最佳測量平面，該最佳工作位置由于校準(zhǔn)和導(dǎo)致的修正允許具有最大的測量精度的測量結(jié)果。在該一個(gè)限定的工作位置上的此測量平面在某種程度上構(gòu)成“最佳測量平面”。然而，對于來自多個(gè)可能的工作位置的其他工作位置，測量誤差可能更大，尤其是如果對于其他工作位置未進(jìn)行單獨(dú)的校準(zhǔn)，并且從而沒有依據(jù)工作位置的第一校準(zhǔn)值可供使用。

由此原因，在提供第一校準(zhǔn)值或提供“最佳測量平面”之外，本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)還包含特征，所述特征為通過成像光學(xué)器件的選擇性對焦，將在測量物體上要測量的相關(guān)區(qū)域(也稱為ROI)盡可能近地帶到“最佳測量平面”。這是重要的，因?yàn)橛捎谙駡銮?，精確的焦點(diǎn)位置可能取決于第一相關(guān)區(qū)域的橫向位置。例如，由于像場曲率，測量物體的右上角可以最佳地被置于成像光學(xué)器件的焦點(diǎn)中，而與此同時(shí)同一測量物體的左下角可能被置于最佳焦點(diǎn)之外。

本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)是基于確定測量物體上的相關(guān)區(qū)域的局部焦點(diǎn)的構(gòu)思，所述局部焦點(diǎn)取決于像場曲率，尤其是度量方法上使用第一對焦步驟。換而言之，使用第一焦點(diǎn)測量將此情況中的第一相關(guān)區(qū)域盡可能最佳地帶入成像光學(xué)器件的(橫向地空間相關(guān)的)焦點(diǎn)。接下來，然而，相對于第一相關(guān)區(qū)域選擇性地重對焦或散焦成像光學(xué)器件，以便將第一相關(guān)區(qū)域盡可能接近地帶到限定的工作位置或者進(jìn)入限定的工作位置中，由于第一校準(zhǔn)值和像修正是基于所述的限定的工作位置，所述限定的工作位置表現(xiàn)最佳測量平面。由此將第一相關(guān)區(qū)域帶入第一測量平面或者至少有目標(biāo)地盡可能接近到最佳測量平面。在此，本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)接受第一相關(guān)區(qū)域可能不置于對于測量像的記錄的最佳焦點(diǎn)。在實(shí)際情況中這意味著即使測量物體橫向地沒有高度變化，可以根據(jù)第一相關(guān)區(qū)域的橫向位置改變攝像機(jī)的對焦。如果定位了第一相關(guān)區(qū)域，例如，在測量物體的右上角，在本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)中的攝像機(jī)的對焦可以與在選擇第一相關(guān)區(qū)域?yàn)樵跍y量物體的右下角的情況的對焦不同。然而，在兩種情況中，基于校準(zhǔn)的最佳測量平面被帶入要測量的相關(guān)區(qū)域或被有目標(biāo)地帶到要測量的相關(guān)區(qū)域。

本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)因此接受相對于相關(guān)區(qū)域局部散焦，以便將相關(guān)區(qū)域盡可能接近地帶到或甚至進(jìn)入最佳測量平面，其中所述最佳測量平面由對于限定的工作位置的成像光學(xué)器件的校準(zhǔn)獲得。

使用僅表現(xiàn)像場曲率的第二校準(zhǔn)值(即成像光學(xué)器件的橫向地空間地相關(guān)的焦點(diǎn))進(jìn)行相對于要測量的相關(guān)區(qū)域的成像光學(xué)器件的選擇性的“失焦”。換而言之，由此第二校準(zhǔn)值表現(xiàn)在對于相關(guān)區(qū)域的最佳聚焦位置與基于校準(zhǔn)的最佳測量平面之間的橫向地空間地相關(guān)的距離(沿光軸或在聚焦的方向上)。

在一些示例性的實(shí)施例中，可以通過在一個(gè)限定的工作位置上記錄點(diǎn)矩陣確定第二校準(zhǔn)值，所述點(diǎn)矩陣具有以矩陣的方式分布的多個(gè)點(diǎn)，由于校準(zhǔn)，該限定的工作位置表現(xiàn)最佳測量平面。點(diǎn)矩陣中的一些點(diǎn)可以在記錄的像中被表現(xiàn)得銳利，因?yàn)樗鼈冊谛?zhǔn)的工作位置中的最佳焦點(diǎn)中。然而，由于像場曲率，其他點(diǎn)可以成像為更不銳利或甚至完全地不銳利。如果改變攝像機(jī)的工作位置以盡可能銳利地成像點(diǎn)(其初始地成像為不銳利)，即將它們帶入橫向地空間地相關(guān)的焦點(diǎn)，工作位置的改變表現(xiàn)了最佳聚焦位置距對于觀察的相關(guān)區(qū)域的最佳測量平面的橫向地空間地相關(guān)的距離。恰恰是此信息被表現(xiàn)在第二校準(zhǔn)值中，并且對應(yīng)于像場曲率，在本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)中利用所述像場曲率以在測量像記錄之前將相關(guān)區(qū)域盡可能最佳地置于校準(zhǔn)的最佳測量平面之中或之上。

記錄第二校準(zhǔn)值可以是本創(chuàng)新的方法的一部分。然而，也可以在本創(chuàng)新的方法之前進(jìn)行，這是因?yàn)楸緞?chuàng)新的方法和測量機(jī)所有要求的僅是使用最佳焦點(diǎn)距最佳測量平面的橫向地空間地相關(guān)的距離來在像記錄之前調(diào)整工作位置。

由于測量物體上的個(gè)別相關(guān)區(qū)域最佳地置于取決于它們的橫向位置并且取決于攝像機(jī)的個(gè)別的像場曲率的最佳測量平面，本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)允許以高的測量精度對測量物體的測量。在優(yōu)選的示例性的實(shí)施例中，在根據(jù)本創(chuàng)新的方法將測量物體帶入到最佳工作位置之中之后，本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)僅記錄測量物體的一個(gè)像。本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)因此允許相對地快速的測量。在像記錄之前最終工作位置的設(shè)定，即成像光學(xué)器件的對焦，也可以基于已知的、但是橫向地空間地相關(guān)的聚焦位置快速找到。

此外，本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)能夠?qū)τ诰_地一個(gè)限定的工作位置以一組第一校準(zhǔn)值操作。因此，本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)僅需要第一校準(zhǔn)值的相對地小的組。

最終，成像光學(xué)器件的光學(xué)設(shè)計(jì)而言，對于多個(gè)可能的工作位置中的一個(gè)進(jìn)行優(yōu)化就足夠了(可能借助于第一校準(zhǔn)值)，這是因?yàn)楸M管有多個(gè)可能的工作位置，本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)確保在每種情況中，定位在測量物體上的相關(guān)區(qū)域使得實(shí)現(xiàn)最大測量精度。

總的來說，本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)因此允許在時(shí)間和成本方面有效率的測量，并且該測量提供高的測量精度。上面提到的目標(biāo)完全地實(shí)現(xiàn)。

在本發(fā)明的優(yōu)選的細(xì)化方案中，第一校準(zhǔn)值實(shí)現(xiàn)在限定的工作位置上的成像光學(xué)器件的失真誤差的修正，尤其是取決于焦點(diǎn)的失真誤差的修正。

因?yàn)槭д嬲`差可能影響記錄的像中的測量物體的邊緣和其他特征的位置，失真誤差尤其強(qiáng)烈地消極地影響光學(xué)測量機(jī)的測量精度。因此借助于它們的校準(zhǔn)值的失真誤差的修正尤其有利地有助于高的測量精度。由于失真誤差的修正和由此的必要校準(zhǔn)可以被限制到“最佳測量平面”，就本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)而言，這里此細(xì)化方案受益到特定的程度。

在另一細(xì)化方案中，初始地將成像光學(xué)器件對焦到第一相關(guān)區(qū)域上，以確定工作距離。

在此細(xì)化方案中，借助于第一焦點(diǎn)測量立即確定第一工作距離。隨后的成像光學(xué)器件的(重新)對焦使得第一相關(guān)區(qū)域被帶到限定的工作位置，從而對應(yīng)于有目標(biāo)的散焦。該細(xì)化方案允許非常簡單并且精確的第一工作距離的確定，尤其是在測量物體具有大量地未知的性質(zhì)和/或大的公差的情況下?？商鎿Q地或附加地，也可以基于CAD數(shù)據(jù)和測量裝置到參考點(diǎn)或參考平面(例如工件臺表面)的校準(zhǔn)確定第一工作距離。

在本發(fā)明的另一細(xì)化方案中，在測量物體上限定第二相關(guān)區(qū)域，該第二相關(guān)區(qū)域從第一相關(guān)區(qū)域橫向地間隔開，并且使用第二校準(zhǔn)值對焦成像光學(xué)器件，使得第一相關(guān)區(qū)域和第二相關(guān)區(qū)域兩者都被盡可能近地帶到限定的工作位置(或“最佳測量平面”)。

在一些示例性的實(shí)施例中，最佳測量平面可以居中地置于第一和第二相關(guān)區(qū)域之間(相對于聚焦方向或平行于成像光學(xué)器件的光軸)。在其他示例性的實(shí)施例中，可以使用加權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)，在所述加權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)中，例如考慮到尺寸或第一和第二相關(guān)區(qū)域之間的尺寸比以將最佳測量平面盡可能最佳地帶到兩個(gè)有關(guān)的相關(guān)區(qū)域。在特定的優(yōu)選的示例性的實(shí)施例中，記錄、修正并且評價(jià)測量物體的僅一個(gè)像，其中基于一個(gè)像確定對于第一和對于第二相關(guān)區(qū)域測量值。該細(xì)化方案允許以高的測量精度尤為快速地測量，即使第一和第二相關(guān)區(qū)域從彼此以一定距離橫向地間隔開和/或成像為由于個(gè)別的強(qiáng)像場曲率具有變化的銳度的一個(gè)像中。

在另一細(xì)化方案中，成像光學(xué)器件還對焦到第二相關(guān)區(qū)域上，以確定第二工作距離，并且使用第一工作距離、第二工作距離以及第二校準(zhǔn)值對焦成像光學(xué)器件，以將第一相關(guān)區(qū)域和第二相關(guān)區(qū)域兩者都盡可能近地帶到限定的工作位置。

在此細(xì)化方案中，相對于第二相關(guān)區(qū)域個(gè)別地測量第二工作距離，并且取決于其放置最佳測量平面，并且考慮到第一測量的工作距離。此配置允許在擴(kuò)展的測量物體的多個(gè)相關(guān)區(qū)域之上的尤為高的測量精度?？商鎿Q地或附加地，原則上可想得到，例如在測量或者其他方式確定第一工作距離之后，僅基于CAD數(shù)據(jù)，確定第二工作距離。

在另一細(xì)化方案中，第一相關(guān)區(qū)域和第二相關(guān)區(qū)域彼此相接，并且形成共同的相關(guān)區(qū)域的段。

在此細(xì)化方案中，共同的“大的”相關(guān)區(qū)域被分為兩個(gè)或更多的段，并且成像光學(xué)器件相對于個(gè)別的段盡可能最佳地對焦。此細(xì)化方案允許以最佳測量精度對大面積的相關(guān)區(qū)域的測量。

在另一細(xì)化方案中，形成可用的CAD數(shù)據(jù)集，該CAD數(shù)據(jù)集表現(xiàn)測量物體的標(biāo)稱空間性質(zhì)，其中基于CAD數(shù)據(jù)集確定第一和/或第二工作距離。

在此細(xì)化方案中，本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)利用測量物體的標(biāo)稱數(shù)據(jù)以將最佳測量平面相對于第一和/或第二相關(guān)區(qū)域盡可能最佳地放置。該細(xì)化方案使得可以免除對工作距離的個(gè)別的測量，從而加速測量。然而，由于基于CAD數(shù)據(jù)可以縮小對于第一和/或第二工作距離的測量的搜索區(qū)域(其同樣地允許快速的測量)，此細(xì)化方案結(jié)合第一和/或第二工作距離的個(gè)別的測量也是有利的。

在另一細(xì)化方案中，在測量物體上限定另一相關(guān)區(qū)域，其中在使用第二校準(zhǔn)值已經(jīng)將另一相關(guān)區(qū)域帶到限定的工作位置之后，記錄測量物體的另一像。有利地，在重新對焦成像光學(xué)器件之前，通過對焦到另一區(qū)域上的方式，測量到另一相關(guān)區(qū)域的另一工作距離，使用另一工作距離和第二校準(zhǔn)值，以將另一相關(guān)區(qū)域盡可能接近地帶到限定的工作位置。

在此細(xì)化方案中，以與第一和/或第二相關(guān)區(qū)域位置不同的最佳測量平面(在聚焦方向上)測量另一相關(guān)區(qū)域。該細(xì)化方案需要成像光學(xué)器件的另一對焦，并且因此似乎對于測量時(shí)間是不利的。然而，它允許彼此橫向地間隔開的不同的相關(guān)區(qū)域的最佳測量。

在另一細(xì)化方案中，確定第一相關(guān)區(qū)域的面幾何中心，并且確定相對于面幾何中心的第一工作距離。

在此細(xì)化方案中，相對于此相關(guān)區(qū)域的面幾何中心實(shí)現(xiàn)成像光學(xué)器件的重新對焦和產(chǎn)生的最佳測量平面在第一相關(guān)區(qū)域的區(qū)域或在第一相關(guān)區(qū)域的區(qū)域內(nèi)的布置。該細(xì)化方案允許可重復(fù)的測量精度，尤其是相對于大面積的相關(guān)區(qū)域，并且因此是有利的。

在另一細(xì)化方案中，第一校準(zhǔn)值還包含用于修正遠(yuǎn)心度誤差和/或彗差的距離相關(guān)的修正值，其中依據(jù)第一工作距離和距離相關(guān)的修正值確定測量值。

在此細(xì)化方案中，通過依據(jù)要測量的相關(guān)區(qū)域距成像光學(xué)器件的距離個(gè)別地修正成像光學(xué)器件的像差，本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)允許甚至進(jìn)一步提高測量精度?；谝阎目臻g地相關(guān)的第一相關(guān)區(qū)域的對焦位置和對焦位置從最佳測量平面的距離，距離相關(guān)的修正可以相對地容易。

在另一細(xì)化方案中，依據(jù)第二校準(zhǔn)值確定測量物體的表面形貌。

在此細(xì)化方案中，本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)提供測量物體上的測量特征的3D位置信息，其可以有利地用于測量平的，但不水平的測量物體。可以基于表現(xiàn)橫向地空間地相關(guān)的成像光學(xué)器件的焦點(diǎn)的第二校準(zhǔn)值，可以很容易并且成本高效地確定“高度信息”。

在另一細(xì)化方案中，以值表格的形式提供第二校準(zhǔn)值，其中值表格中的每一個(gè)值表現(xiàn)空間地相關(guān)的焦點(diǎn)位移。

空間地相關(guān)的焦點(diǎn)位移可以與最佳測量平面有利地關(guān)聯(lián)，使得值表格中的每一個(gè)值表現(xiàn)距離，該距離取決于橫向位置，垂直于最佳測量平面。以值表格形式提供第二校準(zhǔn)值是很簡單并且成本高效的，其(例如)由于基于被成像光學(xué)器件記錄的點(diǎn)矩陣確定空間地相關(guān)的對焦位置。

在另一細(xì)化方案中，以空間地相關(guān)的多項(xiàng)式系數(shù)的形式，特別地已知為澤爾尼克(Zernike)多項(xiàng)式，提供第二校準(zhǔn)值。

此細(xì)化方案在“中間位置”允許更高的測量精度，所述中間位置在第二校準(zhǔn)值的記錄過程中未被直接地捕捉。此外，在此情況中用于提供第二校準(zhǔn)值的存儲器的要求可以保持得小，因此如果成像光學(xué)器件橫向地捕捉很大的面積，此細(xì)化方案是有利的。

在另一細(xì)化方案中，第二校準(zhǔn)值還包含像場曲率的取向相關(guān)的貢獻(xiàn)，所述像場曲率由像散像差產(chǎn)生。

在此細(xì)化方案中，有利地考慮了相關(guān)區(qū)域中的測量物體的邊緣位置。以此細(xì)化方案，由于成像光學(xué)器件的像散產(chǎn)生的測量誤差被很有效地最小化。測量精度更進(jìn)一步提高。

不言而喻，可以在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，不僅可以將上面提到的以及尚待在下面解釋的諸特征以分別指出的組合使用，也可以以其他組合或單獨(dú)使用。

附圖說明

本發(fā)明示例性的實(shí)施例在附圖中圖示，并且在下面的說明書中更詳細(xì)地解釋。在附圖中：

圖1示出本創(chuàng)新的測量機(jī)的示例性的實(shí)施例的示意性圖示，

圖2示出圖1的測量機(jī)，示出了相對于測量物體的兩個(gè)不同的工作位置，

圖3示出具有第二工作位置的圖2的測量機(jī)，

圖4示出用于闡述本創(chuàng)新的方法的示例性的實(shí)施例的流程圖，

圖5示出測量物體的攝像機(jī)像，其中標(biāo)記了第一相關(guān)區(qū)域，以及

圖6示出具有標(biāo)記的相關(guān)區(qū)域的另一攝像機(jī)像。

具體實(shí)施方式

在圖1中，本創(chuàng)新的測量機(jī)的示例性的實(shí)施例作為整體被指為參考數(shù)字10。測量機(jī)10具有工件臺12，其上布置測量物體14。參考數(shù)字16指明相關(guān)區(qū)域(ROI)，例如測量物體14的邊緣延伸于其中。旨在例如測量邊緣的位置和/或邊緣輪廓。

布置在工件臺12之上的是具有圖像傳感器20和成像光學(xué)器件22的攝像機(jī)18。攝像機(jī)18從而垂直地從上方觀測測量物體14，其對于這樣的測量機(jī)是典型布置。然而，可替換地或附加地，攝像機(jī)18或另一攝像機(jī)(在此未示出)可以布置在相對于測量物體的不同的定向中。

在優(yōu)選的示例性的實(shí)施例中，圖像傳感器20是CCD或CMOS傳感器，其具有布置為矩陣形式的多個(gè)像素。在優(yōu)選的示例性的實(shí)施例中，成像光學(xué)器件22至少在物側(cè)上是遠(yuǎn)心的成像光學(xué)器件。在一些優(yōu)選的示例性的實(shí)施例中，成像光學(xué)器件22在物側(cè)上并且在像側(cè)上是遠(yuǎn)心的。然而原則上，成像光學(xué)器件22也可以是非遠(yuǎn)心的成像光學(xué)器件。在每種情況中，成像光學(xué)器件22包含光學(xué)元件(在此未示出)，特別是鏡頭，用該鏡頭以本身已知的方式將測量物體14成像在圖像傳感器20上。事實(shí)上，像不是理想的，即成像光學(xué)器件22具有由于它的構(gòu)造的像差和/或個(gè)別的像差，造成由圖像傳感器20記錄的測量物體14的像從實(shí)際的測量物體14偏離。特別地，成像光學(xué)器件22可以顯示焦點(diǎn)相關(guān)的失真。由于失真，相關(guān)區(qū)域16中的邊緣在攝像機(jī)像中可以表現(xiàn)為已經(jīng)被移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和/或失真，其對于測量精度是不利的。為了提高測量精度，因此通常地基于(第一)校準(zhǔn)值，通過計(jì)算的方式，校準(zhǔn)由圖像傳感器20記錄的像。典型地相對于具有已知的空間性質(zhì)的參考測量物體確定(第一)校準(zhǔn)值。這樣的用于測量機(jī)的成像光學(xué)器件的校準(zhǔn)對于本領(lǐng)域的專家是已知的，因此問題不在此更詳細(xì)地討論。

如參考數(shù)字24指明的，攝像機(jī)18具有可調(diào)整的工作位置，或相對于工件臺12以及布置在其上的測量物體14可調(diào)整的工作距離24。工作距離24特別地對應(yīng)于成像光學(xué)器件22在測量物體14上的焦點(diǎn)設(shè)定。各種焦點(diǎn)設(shè)置從而對應(yīng)于各種工作位置。在一些示例性的實(shí)施例中，攝像機(jī)18可以垂直于工件臺12位移，其在此以箭頭25的方式指明。此調(diào)整方向典型地稱為Z軸。可替換地和/或附加地，成像光學(xué)器件可以具有可變的焦點(diǎn)設(shè)定，其通過例如相對于彼此可移動(dòng)的鏡頭元件的方式實(shí)現(xiàn)。在一些示例性的實(shí)施例中，攝像機(jī)18可以附加地相對于工件臺12或測量物體14在水平平面(典型地稱為XY平面)之內(nèi)移動(dòng)。在其他優(yōu)選的示例性的實(shí)施例中，攝像機(jī)18和工件臺12可以相對于彼此固定地布置在XY平面中。

參考數(shù)字26指明照明單元，其在此情況中布置在工件臺12之下。相應(yīng)地，工件臺12在此示例性的實(shí)施例中是至少部分地透射光。測量物體14在此布置在攝像機(jī)18和照明單元26之間，使得攝像機(jī)18使用已知為透射光的照明來記錄工件14?？商鎿Q地或附加地，在其他示例性的實(shí)施例中的測量機(jī)10可以具有已知為反射光的照明，測量物體14被以其從上方或相對于攝像機(jī)18觀測方向的一個(gè)角度照明。

參考數(shù)字28指明評價(jià)和控制單元。評價(jià)和控制單元28控制攝像機(jī)18相對于測量物體14的工作位置以及像記錄。此外，評價(jià)和控制單元28允許像評價(jià)并且從而確定表現(xiàn)測量物體的所需的空間性質(zhì)的測量值。此外，評價(jià)和控制單元28基于(第一)校準(zhǔn)值進(jìn)行由攝像機(jī)18記錄的像的修正。

為此，評價(jià)和控制單元具有處理器30以及與處理器30通信的一個(gè)或多個(gè)存儲器。此處通過范例的形式圖示了第一存儲器32，其中存儲第一校準(zhǔn)值，其對于限定的工作位置24表現(xiàn)成像光學(xué)器件22的個(gè)別的像差。存儲器32中的校準(zhǔn)值從而允許所述的像差的計(jì)算的修正。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，測量機(jī)10具有第二存儲器34，其中存儲明確地表現(xiàn)成像光學(xué)器件22所謂的像場曲率(焦平面偏差)的第二校準(zhǔn)值。攝像機(jī)18的像場曲率將在下面參考圖2至圖3更詳細(xì)地解釋。

此處存儲在第三存儲器36中的是評價(jià)和控制程序，其使得處理器30執(zhí)行攝像機(jī)18的控制以及記錄的像的評價(jià)。

參考數(shù)字38指明顯示器，其表現(xiàn)界面，經(jīng)由所述界面用戶可以限定一個(gè)或多個(gè)相關(guān)區(qū)域16。在一些示例性的實(shí)施例中，顯示器38是觸摸屏監(jiān)視器，并且用戶可以基于測量物體14的顯示的像40指定一個(gè)或多個(gè)相關(guān)區(qū)域16。在一些示例性的實(shí)施例中，可以基于CAD數(shù)據(jù)42限定相關(guān)區(qū)域，該CAD數(shù)據(jù)表現(xiàn)測量物體14的標(biāo)稱性質(zhì)。可替換地或附加地，顯示器38可以顯示測量物體14的當(dāng)前的像，并且用戶可以基于當(dāng)前的像限定相關(guān)區(qū)域16。應(yīng)當(dāng)理解，對觸摸屏監(jiān)視器可替換地或附加地，使用鼠標(biāo)和/或鍵盤或另一輸入媒介的操作也是可能的。

在下面的附圖中，在每種情況中相同的參考數(shù)字指明如圖1中相同的元素。

圖2示出測量物體14和攝像機(jī)18，其中所述攝像機(jī)18具有攝像機(jī)18相對于測量物體14的兩個(gè)不同的工作距離24a，24b，并且因此具有對于校準(zhǔn)的“最佳測量平面”兩個(gè)不同的工作位置46a，46b。此外，參考數(shù)字44以舉例的方式(并且在此情況中以夸大的方式)圖示攝像機(jī)18的像場曲率。曲線44表明成像光學(xué)器件22的最佳焦點(diǎn)取決于橫向的位置，即取決于在XY平面之內(nèi)的觀測位置，其中所述XY平面垂直于成像光學(xué)器件22的光軸45。通過舉例的方式，如果攝像機(jī)18對焦在工作位置24a上，相關(guān)區(qū)域16a中的邊緣被最佳地置于焦點(diǎn)，然而如果攝像機(jī)18對焦到工作位置24b上，在相對于相關(guān)區(qū)域16a橫向地位移的相關(guān)區(qū)域16b中的邊緣被最佳地置于焦點(diǎn)。在兩種情況中，最佳焦點(diǎn)都不位于測量平面46a，46b之內(nèi)，其中所述測量平面46a，46b表現(xiàn)基于以存儲器32中的第一校準(zhǔn)值的校準(zhǔn)的最佳測量平面?；谝缘谝恍?zhǔn)值校準(zhǔn)，特別是對于位于測量平面46中的全部那些測量物體點(diǎn)，計(jì)算地修正成像光學(xué)器件22的失真。

根據(jù)圖3，本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)從而包含成像光學(xué)器件22在工作位置上的對焦，使得最佳測量平面46形成盡可能精確地位于在相關(guān)區(qū)域16的位置。換而言之，在本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)中對焦成像光學(xué)器件22，使得第一相關(guān)區(qū)域16被盡可能接近地帶到工作位置，其中對于所述工作位置基于以第一校準(zhǔn)值的校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)最小的失真和/或其他個(gè)別體的像差的最小化。在一些優(yōu)選的示例性的實(shí)施例中，對焦發(fā)生在至少兩個(gè)步驟中，如下面參考圖4解釋的。

根據(jù)步驟50，本創(chuàng)新的方法前面是成像光學(xué)器件22的校準(zhǔn)或測量機(jī)10的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)產(chǎn)生第一校準(zhǔn)值，所述第一校準(zhǔn)值被選擇，使得基于第一校準(zhǔn)值的記錄的像的計(jì)算的修正提供對于限定的工作位置的所需的高測量精度。對于在一個(gè)限定的工作位置的像記錄，成像光學(xué)器件22的像差以及測量機(jī)10可能造成的任何其他誤差(例如來自機(jī)械引導(dǎo)件的制造公差)最小化。

根據(jù)步驟52，本創(chuàng)新的方法開始于測量物體14在工件臺12上的定位。此外，根據(jù)步驟54、56，限定測量物體14上的一個(gè)或多個(gè)相關(guān)區(qū)域ROI。甚至可以在步驟52之前(即在將個(gè)體的測量物體14置于工件臺12上之前)限定相關(guān)區(qū)域。如參考圖2圖示的，可以限定一個(gè)測量物體14上的多個(gè)相關(guān)區(qū)域16a，16b。

根據(jù)步驟58，成像光學(xué)器件22對焦在一個(gè)或多個(gè)相關(guān)區(qū)域16a，16b上。在優(yōu)選的示例性的實(shí)施例中，將成像光學(xué)器件22連續(xù)地對焦到多個(gè)可能的工作位置上，例如通過將成像光學(xué)器件22運(yùn)行穿過它的整個(gè)對焦范圍。在成像光學(xué)器件22(由于它的構(gòu)造)具有很大的工作或?qū)狗秶那闆r下，成像光學(xué)器件22僅對焦穿過整個(gè)工作或?qū)狗秶囊徊糠旨纯赡茏銐颍x擇所述的一部分取決于之前限定的相關(guān)區(qū)域，使得覆蓋全部相關(guān)區(qū)域。

在優(yōu)選的示例性的實(shí)施例中，由于處理器30順序地遞增地調(diào)整攝像機(jī)和/或成像光學(xué)器件22相對于測量物體的焦點(diǎn)設(shè)定，并且在每個(gè)增量觸發(fā)像記錄，因此對焦在一個(gè)或多個(gè)相關(guān)區(qū)域16a，16b上是自動(dòng)的?？梢酝ㄟ^本身已知的基于在相鄰的像點(diǎn)之間的閾值標(biāo)準(zhǔn)的方式，確定一個(gè)或多個(gè)相關(guān)區(qū)域16a，16b的個(gè)體的聚焦位置?？商鎿Q地或附加地，用戶可以手動(dòng)地對焦到一個(gè)或多個(gè)相關(guān)區(qū)域16a，16b上。此外，用于確定一個(gè)或多個(gè)相關(guān)區(qū)域16a，16b的精確聚焦位置的其他常規(guī)方法原則上也可以。

為了簡明，下面假設(shè)初始地僅對于測量物體上的一個(gè)相關(guān)區(qū)域16確定測量值。根據(jù)步驟60，限定距離D(見圖3)，其中所述距離D為在聚焦方向上(即平行于光軸)，在對于所選的相關(guān)區(qū)域16的最佳局部焦點(diǎn)以及基于校準(zhǔn)為最佳的測量平面46(BMP)之間的距離。本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)在此利用來自存儲器34的表現(xiàn)攝像機(jī)18的像場曲率44的第二校準(zhǔn)值。在一些示例性的實(shí)施例中，附加地使用測量物體14的CAD數(shù)據(jù)，尤其是如果一定要對于多個(gè)相關(guān)區(qū)域確定各個(gè)距離D(n)。

根據(jù)步驟62，接下來重新對焦攝像機(jī)18，使得最佳測量平面46盡可能接近相關(guān)區(qū)域16。在一些優(yōu)選的示例性的實(shí)施例中，借助于重新對焦操作，相關(guān)區(qū)域被精確地帶入最佳測量平面46之內(nèi)，如圖3圖示的。從“根據(jù)步驟58，焦點(diǎn)被之前最佳地設(shè)定在相關(guān)區(qū)域16上的”事實(shí)出發(fā)，步驟62從而包含相對于相關(guān)區(qū)域16散焦。從而有意地將相關(guān)區(qū)域16從最佳局部焦點(diǎn)移除，而帶入到基于校準(zhǔn)為最佳的測量平面46，同時(shí)接受造成的局部像銳度的劣化。

在實(shí)際的示例性的實(shí)施例中，這意味著根據(jù)步驟62重新對焦攝像機(jī)18造成不同的對焦位置，這取決于所選的相關(guān)區(qū)域在垂直于光軸45的橫向工作平面中所處位置。

根據(jù)步驟64，測量機(jī)10接下來記錄現(xiàn)已找到的工作位置中的測量物體的像。根據(jù)步驟66，借助于第一校準(zhǔn)值修正像，從而在像評價(jià)之前將特別是成像光學(xué)器件22的失真最小化。根據(jù)步驟68，基于修正的像確定對于相關(guān)區(qū)域16的測量值。與此不同，在其他示例性的實(shí)施例中也可以基于未修正的像首先確定臨時(shí)的測量值，并且接下來借助于相應(yīng)所選的第一校準(zhǔn)值修正臨時(shí)的測量值。

在一些示例性的實(shí)施例中，由于不同的個(gè)別的對焦位置在橫向的工作平面之內(nèi)表現(xiàn)高度信息，還可以可選擇地根據(jù)步驟70，使用來自存儲器34的第二校準(zhǔn)值，確定測量物體14的形貌(topography)。

如已經(jīng)指明的，本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)在一些示例性的實(shí)施例中利用多個(gè)相關(guān)區(qū)域，如例如圖2中圖示的。在一些變體中，對于多個(gè)相關(guān)區(qū)域分別地進(jìn)行根據(jù)步驟64記錄多個(gè)像和根據(jù)步驟62的重新對焦。在這些變體中，可以在記錄對應(yīng)的像之前，將多個(gè)相關(guān)區(qū)域中的每一個(gè)帶入到最佳測量平面46之內(nèi)并且評價(jià)。因此，這些變體允許對于每個(gè)相關(guān)區(qū)域很高的測量精度。

在其他的變體中，本創(chuàng)新的方法和測量機(jī)在每種情況中利用僅一個(gè)像記錄，即在步驟64中記錄單個(gè)的像且根據(jù)步驟66修正單個(gè)的像，對于多個(gè)相關(guān)區(qū)域的測量值根據(jù)基于該一個(gè)修正的像根據(jù)步驟68來確定。在這些示例性的實(shí)施例中，有利的是實(shí)現(xiàn)重新對焦，使得最佳測量平面46被盡可能接近全部評價(jià)的相關(guān)區(qū)域，例如被帶到根據(jù)最佳擬合算法的多個(gè)最佳局部聚焦位置之間。在一些示例性的實(shí)施例中，最佳測量平面被居中地(在聚焦方向上)帶到多個(gè)相關(guān)區(qū)域的最佳聚焦位置之間。

在一些示例性的實(shí)施例中，在已經(jīng)根據(jù)步驟58確定對于第一相關(guān)區(qū)域的第一工作距離之后，CAD數(shù)據(jù)可以有利地用于快速確定從第二相關(guān)區(qū)域的第二工作距離。此外，一些示例性的實(shí)施例還為基于測量物體的CAD數(shù)據(jù)要確定的第一工作距離做好準(zhǔn)備。為此，可以有利地將最佳測量平面校準(zhǔn)到工件臺12的表面上。

在一些示例性的實(shí)施例中，不僅基于步驟66中的第一校準(zhǔn)值修正成像光學(xué)器件22的失真，而且修正距離相關(guān)的遠(yuǎn)心度和/或距離相關(guān)的彗差和/或距離相關(guān)的失真，其中基于第二校準(zhǔn)值或基于像場曲率并且基于相關(guān)區(qū)域的局部聚焦位置，確定(在聚焦方向上)距離信息。

圖5示出測量物體的像40’，該物體具有近似于孔的圓形邊緣輪廓74。參考數(shù)字16’在此情況中標(biāo)記具有矩形的相關(guān)區(qū)域。相關(guān)區(qū)域16’具有面幾何中心76并且相對于邊緣輪廓74定位，特別地使得面幾何中心76來到位于邊緣輪廓74的區(qū)域。在一些優(yōu)選的示例性的實(shí)施例，根據(jù)步驟58對焦到相關(guān)區(qū)域16’上相對于面幾何中心76以有目標(biāo)的方式進(jìn)行。如果限定延伸的相關(guān)區(qū)域，這是尤其有利的。在一些示例性的實(shí)施例中，相關(guān)區(qū)域可以具有偏離由此示出的方塊的形狀，特別是自由形狀。通過舉例的方式，相關(guān)區(qū)域16’可以遵循要被測量的邊緣的邊緣輪廓74。通過對焦到面幾何中心76的方式，甚至對于這樣的相關(guān)區(qū)域可以進(jìn)行有目標(biāo)的重新對焦，其有利于高測量精度。

圖6示出具有邊緣輪廓74的另一像40”。在此情況中，標(biāo)記多個(gè)相關(guān)區(qū)域16a，16b，16c，其彼此相接，并且從而形成共同的相關(guān)區(qū)域的段。在此示例性的實(shí)施例中，對于多個(gè)相關(guān)區(qū)域16a，16b，16c中的每一個(gè)確定最佳聚焦位置，并且以使得相關(guān)區(qū)域16a，16b，16c各自被盡可能接近一個(gè)最佳測量平面的方式有利地實(shí)現(xiàn)重新對焦。如上面已經(jīng)提到的，這可以使用最佳擬合算法有利地實(shí)現(xiàn)。在其他示例性的實(shí)施例中，最佳測量平面被居中地帶到位于最接近或最遠(yuǎn)離工件臺表面或其他參考點(diǎn)的兩個(gè)聚焦位置之間。