Title:
Messvorrichtung zur interferometrischen Vermessung eines Messobjekts
Kind Code:
U1


Abstract:

Messvorrichtung zur interferometrischen Vermessung eines Messobjekts,
mit einer oder mehreren Strahlquellen zum Erzeugen zumindest eines Mess- und zumindest eines Referenzstrahls, einem Detektor und einer Auswerteeinheit, welche mit dem Detektor zum Auswerten von Messsignalen des Detektors verbunden ist,
wobei die Messvorrichtung ausgebildet ist, den Messstrahl auf mindestens einen Messpunkt auf dem Messobjekt zu leiten und den zumindest teilweise von dem Messobjekt reflektierte oder gestreute Messstrahl mit dem Referenzstrahl auf einer Detektionsfläche des Detektors zu überlagern, so dass mittels des Detektors ein Überlagerungs- oder Interferenzsignal zwischen Mess- und Referenzstrahl messbar ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung eine Strahllage-Bildaufnahmeeinheit aufweist,
dass die Auswerteeinheit ausgebildet ist, den Strahlverlauf des Messstrahls zu bestimmen. embedded image




Application Number:
DE202018104053U
Publication Date:
07/24/2018
Filing Date:
07/13/2018
Assignee:
Polytec GmbH, 76337 (DE)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
Lemcke, Brommer & Partner, Patentanwälte Partnerschaft mbB, 76135, Karlsruhe, DE
Claims:
Messvorrichtung zur interferometrischen Vermessung eines Messobjekts,
mit einer oder mehreren Strahlquellen zum Erzeugen zumindest eines Mess- und zumindest eines Referenzstrahls, einem Detektor und einer Auswerteeinheit, welche mit dem Detektor zum Auswerten von Messsignalen des Detektors verbunden ist,
wobei die Messvorrichtung ausgebildet ist, den Messstrahl auf mindestens einen Messpunkt auf dem Messobjekt zu leiten und den zumindest teilweise von dem Messobjekt reflektierte oder gestreute Messstrahl mit dem Referenzstrahl auf einer Detektionsfläche des Detektors zu überlagern, so dass mittels des Detektors ein Überlagerungs- oder Interferenzsignal zwischen Mess- und Referenzstrahl messbar ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung eine Strahllage-Bildaufnahmeeinheit aufweist,
dass die Auswerteeinheit ausgebildet ist, den Strahlverlauf des Messstrahls zu bestimmen.

Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung ausgebildet ist,
A. eine Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern zumindest einer Messoberfläche des Messobjekts aus unterschiedlichen Perspektiven aufzunehmen;
B. ein dreidimensionales Messobjekt-Modell, das zumindest die Messoberfläche des Messobjekts umfasst, mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern der Messoberfläche zu erstellen;
C. mindestens ein ortsaufgelöstes Strahllage-Bestimmungsbild zumindest der Messoberfläche des Messobjekts mit Hilfe der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit aufzunehmen;
D. die räumliche Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit relativ zum Messobjekt mit Hilfe des mindestens einen ortsaufgelösten Strahllage-Bestimmungsbildes in Kombination mit dem dreidimensionalen Messobjekt-Modell und/oder der Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern zu bestimmen;
E. eine räumliche Relation zwischen dem räumlichen Strahlverlauf des Messstrahls der Messvorrichtung und der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit bereitzustellen;
F. den räumlichen Strahlverlauf des Messstrahls der Messvorrichtung relativ zum Messobjekt abhängig von der in Merkmal E bereitgestellten Relation und der räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit relativ zum Messobjekt zu bestimmen.

Messvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist, dass in Merkmal F der Messstrahlverlauf mittels Durchführen von Merkmal Fi und mindestens einem der Merkmale Fii und Fiii bestimmt wird:
Fi. Bestimmung der Koordinaten im Messobjekt-Modell mindestens eines Ortes, der auf der vom Messstrahl definierten optischen Achse oder in einem vorgegebenen räumlichen Bezug hierzu liegt;
Fii. Bestimmung des durch die Messstrahlausbreitungsrichtung vorgegebenen Richtungsvektors im Messobjekt-Modell;
Fiii. Bestimmung der Koordinaten eines zweiten Ortes im Messobjekt-Modell, der auf der vom Messstrahl definierten optischen Achse oder in einem vorgegebenen räumlichen Bezug hierzu liegt und ortsverschieden zu dem in Fi verwendeten Ort ist.

Messvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist, dass in zumindest einem der Merkmale Fi und Fiii die Koordinaten im Messobjekt-Modell eines Messstrahlauftreffpunktes des Messstrahls auf dem Messobjekt bestimmt werden.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist, dass in Merkmal E die räumliche Relation als feste räumliche Lage des Strahlverlaufs relativ zu der räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit vorgegeben wird.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass in Merkmal E die räumliche Relation abhängig von mindestens einem, bevorzugt von mindestens zwei zu bestimmenden Parametern ist.

Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass in Merkmal F die Bestimmung mindestens eines, bevorzugt aller der zu bestimmenden Parameter mittels Bestimmen der Koordinaten des Messstrahlauftreffpunkts des Messstrahls und/oder zumindest eines Hilfsstrahlauftreffpunktes eines mit dem Messstrahl in vorgegebener räumlicher Beziehung stehenden Hilfsstrahls auf dem Messobjekt im Messobjekt-Modell anhand zumindest eines Strahllage-Bestimmungsbildes erfolgt, welches den Messstrahlauftreffpunkt und/oder den zumindest einen Hilfsstrahlauftreffpunkt auf dem Messobjekt umfasst.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass die Koordinaten des Messstrahlauftreffpunkts und/oder des Hilfsstrahlauftreffpunkts mittels folgender Merkmale bestimmt werden:
F.a Ermitteln einer Zuordnungsvorschrift zwischen den einzelnen Positionen auf einem ortsaufgelösten Bild der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit, insbesondere dem Strahllage-Bestimmungsbild, und den zugehörigen Punkten im dreidimensionalen Messobjekt-Modell mit Hilfe mindestens eines ortsaufgelösten Strahllage-Bestimmungsbildes in Kombination mit dem dreidimensionalen Messobjekt-Modell und/oder der Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern;
F.b Bestimmen des Auftreffpunkts des Messstrahls und/oder des Hilfsstrahls auf der Messoberfläche anhand des ortsaufgelösten Bilds der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit und der Zuordnungsvorschrift gemäß F.a.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass in Merkmal E ein Messvorrichtung-Modell bereitgestellt wird, welches zumindest ein Messkopfelement eines Messkopfes der interferometrischen Messvorrichtung umfasst, welches in einem vorgegebenen räumlichen Bezug zu dem Messstrahl steht und zumindest ein Strahllage-Bildaufnahmeeinheit-Element umfasst, welches in einem vorgegebenen räumlichen Bezug zu der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit steht.

Messvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass Merkmal E folgende Merkmale aufweist:
Ei. Aufnehmen einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Messvorrichtungs-Bildern, welche zumindest das Messkopfelement und das Strahllage-Bildaufnahmeeinheit-Element umfassen, aus unterschiedlichen Perspektiven;
Eii. Erstellen eines Messvorrichtung-Modells, mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Messvorrichtungs-Bildern.

Messvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass ein Messkopf-Abgleichmodell, welches zumindest das Messkopfelement zumindest schematisch umfasst und ein Strahllage-Bildaufnahmeeinheit-Abgleichmodell, welches zumindest die Strahllage-Bildaufnahmeeinheit zumindest schematisch umfasst, vorgegeben werden, und dass der Strahlverlauf des Messstrahls zumindest im Messkopf-Abgleichmodell vorgegeben ist.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswerteeinheit derart ausgebildet ist,
dass mittels des Verfahrens für mehrere Messstrahlen mehrerer Messvorrichtungen jeweils der Strahlverlauf bestimmt wird,
wobei in Merkmal E die räumliche Relation zwischen der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit und dem räumlichen Strahlverlauf jedes Messstrahls bereitgestellt wird.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung eine Strahlrichteinheit zum Richten des Messstrahl auf mehrere ortsverschiedene Messpunkte aufweist.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass mittels des Messstrahls eine interferometrische Messung an dem Messobjekt durchgeführt wird und die interferometrische Messung unter Berücksichtigung des Messstrahlverlaufs ausgewertet wird.

Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messvorrichtung derart ausgebildet ist,
dass die optische Achse des zum dem Messobjekt hinlaufenden Messstrahls und die optische Achse des von dem Messobjekt rücklaufenden Messstrahls einen Winkel einschließen und der Verlauf der Winkelhalbierenden dieses Winkels als Messstrahlverlauf bestimmt wird.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur interferometrischen Vermessung eines Messobjekts.

Zur Durchführung von interferometrischen Messungen an einem Messobjekt sind Messvorrichtungen bekannt, welche eine Strahlquelle, vorzugsweise eine Laserstrahlquelle, einen Detektor, einen Strahlteiler und eine Auswerteeinheit aufweisen. Hierbei wird ein von der Strahlungsquelle erzeugter Ursprungsstrahl mittels des Strahlteilers in einen Mess- und einen Referenzstrahl aufgeteilt. Der Messstrahl wird auf mindestens einen Messpunkt auf dem Messobjekt geleitet, und der zumindest teilweise von dem Messobjekt reflektierte oder gestreute Messstrahl wird mit dem Referenzstrahl auf einer Detektionsfläche des Detektors überlagert, so dass mittels des Detektors ein Überlagerungs- oder Interferenzsignal zwischen Mess- und Referenzstrahl messbar ist.

Zur Erfassung von Schwingungsdaten von Messobjekten sind solche Messvorrichtungen als Vibrometer, bevorzugt als Laser-Doppler-Vibrometer ausgebildet. Durch die Bewegung oder Schwingung der Objektoberfläche wird die Frequenz des Messstrahls beeinflusst, so dass aus dem Überlagerungssignal von Mess- und Referenzstrahl auf die Bewegung des Objektes, insbesondere die Schwingungsfrequenz der Objektoberfläche rückgeschlossen werden kann.

Für eine Vielzahl von Messsituationen ist es wünschenswert, bei den Schwingungsdaten nicht nur Schwingungsfrequenz oder Schwingungsamplitude, sondern auch die Richtung der Schwingung zu bestimmen. Eine interferometrische Messvorrichtung erfasst hingegen immer die Schwingung in Richtung des Messstrahls, wenn der vom Messobjekt gestreute oder reflektierte Messstrahl in sich zurückläuft (d.h. die optische Achse des zum dem Messobjekt hinlaufenden Messstrahls und die optische Achse des von dem Messobjekt rücklaufenden Messstrahls identisch sind) und in Richtung der Winkelhalbierenden, wenn der vom Messobjekt gestreute oder reflektierte Messstrahl unter einem Winkel zum einfallenden Messstrahl zurückläuft (und somit die optische Achse des zum dem Messobjekt hinlaufenden Messstrahls und die optische Achse des von dem Messobjekt rücklaufenden Messstrahls diesen Winkel einschließen).

Üblicherweise werden für Schwingungsmessungen interferometrische Messvorrichtungen eingesetzt, bei denen der vom Messobjekt gestreute oder reflektierte Messstrahl in sich zurückläuft bzw. nahezu in sich zurückläuft. Für diese interferometrischen Messvorrichtungen ist es daher wünschenswert, als Strahlverlauf des Messstrahls den Strahlverlauf der optischen Achse des zu dem Objekt hinlaufenden Messstrahls zu bestimmen, insbesondere den Auftreffwinkel des Messstrahls auf das Objekt am Messpunkt.

Für interferometrische Messvorrichtungen, bei denen einfallender und zurücklaufender Messstrahl einen Winkel zueinander aufweisen, ist es entsprechend wünschenswert, den Verlauf der Winkelhalbierenden am Messpunkt, durch den ja sowohl einfallender Strahl als auch zurücklaufender Strahl als auch Winkelhalbierende verlaufen, zu bestimmen, insbesondere den Winkel der Winkelhalbierenden relativ zum Objekt am Messpunkt.

Die Bezeichnung „Strahlverlauf des Messstrahls“ bzw. „Bestimmung des Strahlverlaufs des Messstrahls“ bezeichnet somit hier und im Folgenden den für die mittels des Messstrahls durchgeführte Messung relevanten Verlauf. Der Strahlverlauf beinhaltet daher bevorzugt die optische Achse des zu dem Messobjekt hinlaufenden Messstrahls, ebenso können jedoch äquivalente Informationen bestimmt werden, insbesondere Informationen zu einer Winkelhalbierenden wie zuvor beschrieben. Zur Vereinfachung der Beschreibung in der vorliegenden Anmeldung wird im Folgenden immer vom Strahlverlauf des Messstrahls, von seinem Auftreffwinkel, etc. gesprochen, wobei dies jedoch immer auch anstelle des Messstrahls auch äquivalente Informationen wie z.B. die vorgenannte Winkelhalbierende mit umfasst.

Häufig ist es gewünscht, die Schwingung in Richtung der Flächennormalen einer den Messpunkt umgebenden Fläche zu bestimmen. Anhand des Auftreffwinkels kann dann die Schwingungskomponente in Richtung der Oberflächennormalen berechnet werden. Ebenfalls gängig sind Messsysteme, welche mehrere Messstrahlen auf einen Messpunkt aus unterschiedlichen Richtungen richten. Anhand der Strahlverläufe der zur Messung verwendeten Strahlen, insbesondere Laserstrahlen, kann dann über eine Transformationsmatrix die richtungsabhängige Schwingung berechnet werden, allgemein wird dies auch als 3D Messung einer Schwingung bezeichnet. Eine genaue Erfassung der Strahlverläufe ist aus diesem Grund von großer Bedeutung.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung mit einer für den Benutzer vereinfachten Bestimmung des Strahlverlaufs eines Messstrahls einer interferometrischen Messvorrichtung zur Verfügung zu stellen.

Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Messvorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur interferometrischen Vermessung eines Messobjekts weist eine oder mehrere Strahlquellen zum Erzeugen zumindest eines Mess- und zumindest eines Referenzstrahls, einen Detektor und eine Auswerteeinheit auf. Der Messstrahl wird auf mindestens einen Messpunkt auf dem Messobjekt geleitet und der zumindest teilweise von dem Messobjekt reflektierte oder gestreute Messstrahl wird mit dem Referenzstrahl auf einer Detektionsfläche des Detektors überlagert, so dass mittels des Detektors ein Überlagerungs- oder Interferenzsignal zwischen Mess- und Referenzstrahl messbar ist.

Bevorzugt weist die Messvorrichtung eine Strahlquelle, insbesondere eine Laserstrahlquelle, und zumindest einen Strahlteiler auf. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird ein von der Strahlquelle erzeugter Ursprungsstrahl mittels des Strahlteilers in den zumindest einen Mess- und zumindest einen Referenzstrahl aufgeteilt. Die Strahlquelle ist somit bevorzugt als Laserstrahlquelle ausgebildet; Der Ursprungsstrahl ist somit bevorzugt ein Laserstrahl.

Durch die Bewegung oder Schwingung der Objektoberfläche wird die Frequenz des Messstrahls beeinflusst, so dass aus dem Überlagerungssignal von Mess- und Referenzstrahl auf die Bewegung des Objektes, insbesondere die Schwingungsfrequenz der Objektoberfläche rückgeschlossen werden kann.

Die Messvorrichtung ist somit als interferometrische Messvorrichtung ausgebildet. Bevorzugt ist die Messvorrichtung als Vibrometer, insbesondere als Laser-Doppler-Vibrometer ausgebildet.

Wesentlich ist, dass die Messvorrichtung eine Strahllage-Bildaufnahmeeinheit aufweist und die Auswerteeinheit ausgebildet ist, den Strahlverlauf des Messstrahls zu bestimmen.

Insbesondere ist die Messvorrichtung vorteilhafterweise ausgebildet,

  1. A. eine Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern zumindest einer Messoberfläche des Messobjekts aus unterschiedlichen Perspektiven aufzunehmen;
  2. B. eine dreidimensionales Messobjekt-Modell, das zumindest die Messoberfläche des Messobjekts umfasst, mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern der Messoberfläche zu erstellen;
  3. C. mindestens ein ortsaufgelöstes Strahllage-Bestimmungsbild zumindest der Messoberfläche des Messobjekts mit Hilfe der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit aufzunehmen;
  4. D. die räumliche Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit relativ zum Messobjekt mit Hilfe des mindestens einen ortsaufgelösten Strahllage-Bestimmungsbildes in Kombination mit dem dreidimensionalen Messobjekt-Modell und/oder der Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern zu bestimmen;
  5. E. eine räumliche Relation zwischen dem räumlichen Strahlverlauf des Messstrahls der Messvorrichtung und der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit bereitzustellen;
  6. F. den räumlichen Strahlverlauf des Messstrahls der Messvorrichtung relativ zum Messobjekt abhängig von der in Verfahrensschritt E bereitgestellten Relation und der räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit relativ zum Messobjekt zu bestimmen.

Die Messvorrichtung weist bevorzugt zumindest einen Messkopf auf: Der Messkopf der Messvorrichtung stellt ein Element der Messvorrichtung dar, an welchem der Messstrahl austritt. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die gesamte Messvorrichtung in dem Messkopf integriert ist, insbesondere weist der Messkopf in einer bevorzugten Ausführungsform die Strahlquelle für den Messstrahl, insbesondere einen Laser, optische Mittel zum Ausbilden eines Interferometers, bevorzugt mit einem Mess- und einem Referenzstrahl, insbesondere eines Mach-Zehnder-Interferometers und den zumindest einen Detektor sowie die Auswerteeinheit auf. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass der Messkopf lediglich eine Untermenge der Elemente der Messvorrichtung aufweist, insbesondere kann die Auswerteeinheit außerhalb des Messkopfs angeordnet sein. Ebenso kann die Strahlquelle außerhalb des Messkopfs angeordnet sein. In diesem Fall weist die Messvorrichtung bevorzugt zumindest einen Lichtleiter auf, um den Messstrahl von der Strahlungsquelle zu dem Messkopf zu führen. Ebenso kann das Interferometer außerhalb des Messkopfs angeordnet sein. Das Interferometer ist in diesem Fall bevorzugt mittels zumindest eines Lichtleiters mit dem Messkopf verbunden, um den Messstrahl zu dem Messkopf zu leiten und den am Messobjekt reflektierten und/oder gestreuten Messstrahl, welcher wieder in den Messkopf eintritt, zu dem Interferometer zu leiten.

Die Auswerteeinheit weist bevorzugt elektronische Komponenten zur Datenverarbeitung auf, insbesondere einen Prozessor und einen Datenspeicher.

Die Auswerteeinheit ist bevorzugt als Rechnereinheit ausgebildet. Die Rechnereinheit kann als an sich bekannte Komponente zur Signalauswertung ausgebildet sein, insbesondere als FPGA-Decoder. Ebenso kann die Rechnereinheit eine oder mehrere Datenverarbeitungselemente, insbesondere elektronische Komponenten aufweisen, wie beispielsweise einen oder mehrere Computer, Decoder, Speicherkomponenten oder weitere Komponenten.

Die Messvorrichtung ist bevorzugt zur Durchführung eines nachfolgend beschriebenen Verfahrens zur Bestimmung des Strahlverlaufs eines Messstrahls der Messvorrichtung ausgebildet. Weiterhin werden anschließend vorteilhafte Ausgestaltungen und (insbesondere in der Figurenbeschreibung) vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Verfahrens beschrieben, welche somit vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung wiedergeben, welche zur Durchführung dieser Verfahren ausgebildet ist. Die Verfahrensschritte dieser Verfahren stellen somit bevorzugte Merkmale vorteilhafter Ausgestaltungen der Messvorrichtung dar.

Das Verfahren zur Bestimmung des Strahlverlaufs eines Messstrahls einer interferometrischen Messvorrichtung weist folgende Verfahrensschritte auf:

In einem Verfahrensschritt A erfolgt ein Aufnehmen einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern zumindest einer Messoberfläche des Messobjekts aus unterschiedlichen Perspektiven. In einem Verfahrensschritt B erfolgt ein Erstellen eines dreidimensionalen Messobjekt-Modells, das zumindest die Messoberfläche des Messobjekts umfasst, mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern der Messoberfläche. In einem Verfahrensschritt C erfolgt ein Bereitstellen einer Strahllage-Bildaufnahmeeinheit und Aufnehmen von zumindest einem ortsaufgelösten Strahllage-Bestimmungsbild zumindest der Messoberfläche des Messobjekts mithilfe der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit. In einem Verfahrensschritt D erfolgt ein Bestimmen der räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit relativ zum Messobjekt mithilfe des mindestens einen ortsaufgelösten Strahllage-Bestimmungsbildes in Kombination mit dem dreidimensionalen Messobjekt-Modell und/oder der Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern. In einem Verfahrensschritt E erfolgt ein Bereitstellen einer räumlichen Relation zwischen dem räumlichen Strahlverlauf des Messstrahls der interferometrischen Messvorrichtung und der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit. In einem Verfahrensschritt F erfolgt ein Bestimmen des räumlichen Strahlverlaufs des Messstrahls der interferometrischen Messvorrichtung relativ zum Messobjekt abhängig von der in Verfahrensschritt E bereitgestellten Relation und der räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit relativ zum Messobjekt.

Mittels des der erfindungsgemäßen Messvorrichtung kann der Strahlverlauf des Messstrahls bestimmt werden, wobei das in den Verfahrensschritten A und B erstellte dreidimensionale Modell zumindest der Messoberfläche des Messobjekts verwendet wird. Hierdurch wird eine erhebliche Vereinfachung für den Benutzer erzielt, da Verfahrensschritt A für den Benutzer in unaufwendiger Weise durchführbar ist und hierauf basierend automatisiert die Bestimmung des Strahlverlaufs erfolgen kann.

Der Strahlverlauf gibt somit die Position und Ausbreitungsrichtung des Strahls wieder. Der Strahlverlauf wird daher bevorzugt zumindest durch die Angabe von einem Ortspunkt auf der optischen Achse des Strahls und weiterhin zumindest einer Ausbreitungsrichtung des Strahls und/oder eines zweiten Ortspunktes auf der optischen Achse des Strahls, der zu dem ersten Ortspunkt verschieden ist, bestimmt.

Durch den Strahlverlauf stehen somit weitere Informationen, insbesondere der Auftreffwinkel des Messstrahls auf den Messpunkt des Objekts im dreidimensionalen Modell, das heißt in einem Koordinatensystem des Messobjekts, zur Verfügung, sodass eine zusätzliche Verarbeitung der Messdaten basierend auf den Daten des Strahlverlaufs erfolgen kann.

Die Aufnahme der ortsaufgelösten Bilder aus verschiedenen Perspektiven in Verfahrensschritt A ermöglicht eine erheblich genauere Erstellung eines dreidimensionalen Messobjekt-Modells: Bei Aufnahmen eines ortsaufgelösten Bildes aus lediglich einer Perspektive können zwar in vielen Messsituationen Ortskoordinaten in zwei Dimensionen bestimmt werden. Für die vorliegende Erfindung ist jedoch insbesondere eine präzise Bestimmung eines dreidimensionalen Modells relevant, insbesondere, um in Verfahrensschritt D die räumliche Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit zu bestimmen. Hier weist die Erfindung den besonderen Vorteil auf, dass aufgrund der Aufnahme von ortsaufgelösten Bildern aus unterschiedlichen Perspektiven in Verfahrensschritt A das dreidimensionale Modell gemäß Verfahrensschritt B eine erheblich höhere Genauigkeit ermöglicht. Hierdurch wird auch die Bestimmung des Strahlverlaufs entsprechend genauer. Die Ausgestaltung des Verfahrensschrittes A mittels der Aufnahme von ortsaufgelösten Bildern aus verschiedenen Perspektiven bildet somit die Basis für eine benutzerfreundliche und präzise Bestimmung des Strahlverlaufs.

Nach Durchführung von Verfahrensschritt B liegt ein dreidimensionales Modell zumindest der Messoberfläche des Messobjekts vor. Es ist somit nicht notwendig, dass der Benutzer eigene Messungen vornimmt oder bestimmte Referenzpunkte manuell vorgibt. Ebenso ist es nicht zwingend notwendig, anderweitig erstellte dreidimensionale Modelle, wie beispielsweise CAD-Modelle, zusätzlich vorzugeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein mittels einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern erstelltes dreidimensionales Messobjekt-Modell vorteilhaft mit dem ortsaufgelösten Bild einer Strahllage-Bildaufnahmeeinheit kombiniert werden kann, um den Strahlverlauf des Messstrahls zu bestimmen: Selbst wenn bei vorbekannten interferometrischen Messvorrichtungen der räumliche Bezug zwischen einer Strahllage-Bildaufnahmeeinheit und dem Messstrahl oder zumindest von Befestigungspunkten eines Messkopfs bekannt ist, besteht allenfalls die Möglichkeit, Informationen über den Strahlverlauf relativ zur Position und Ausrichtung der Bildaufnahmeeinheit zu erlangen, es fehlt jedoch der Bezug zu dem Messobjekt, insbesondere zu einem Koordinatensystem des Messobjekts. Durch Bestimmen der räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit relativ zum Messobjekt mithilfe des mindestens einen ortsaufgelösten Strahllage-Bestimmungsbilds in Kombination mit dem dreidimensionalen Messobjekt-Modell und/oder der Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern kann dieser Bezug hergestellt werden, sodass die Erfindung in einer für den Benutzer unaufwendiger Weise die Bestimmung des Strahlverlaufs im Koordinatensystem des Messobjekt-Modells ermöglicht.

In Verfahrensschritt A erfolgt ein Aufnehmen einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern zumindest einer Messoberfläche des Messobjekts aus unterschiedlichen Perspektiven. Die Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern können mit einer oder mit mehreren Bildaufnahmeeinheiten aufgenommen werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern mittels einer beweglichen Bildaufnahmeeinheit aufgenommen, insbesondere einer durch den Benutzer bewegten Bildaufnahmeeinheit.

Als Bildaufnahmeeinheit insbesondere in Verfahrensschritt A und/oder C werden bevorzugt digitale Kameras verwendet, insbesondere Kameras mit einem CCD-oder CMOS-Bildsensor. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, das jeweilige ortsausgelöste Bild mittels eines scannenden Verfahrens zu erstellen: So liegt die Verwendung einer Bildaufnahmeeinheit im Rahmen der Erfindung, bei welcher einzelne Punkte des abzubildenden Objekts zeitlich nacheinander aufgenommen werden und aus einer Mehrzahl separat aufgenommener Punkte ein ortsaufgelöstes Bild zusammengesetzt wird, beispielsweise mittels einer Rechnereinheit.

Die Bildaufnahmeeinheit kann auch eine Beleuchtungseinheit umfassen, die während der Aufnahme von Bildern der Bildaufnahmeeinheit das Messobjekt beleuchtet. So sind Bildaufnahmeeinheiten zum Erfassen der dreidimensionalen Form eines Objekts bekannt, welche eine Musterprojektionseinheit, insbesondere eine Streifenprojektionseinheit und eine Kamera, typischerweise eine Schwarz-Weiß-Kamera umfassen, wobei die Kamera zu einem ortsgenauen Erfassen eines mittels der Projektionseinheit projizierten Lichtmusters auf dem Objekt verwendet wird. Bevorzugt wird eine solche Bildaufnahmeeinheit zur Durchführung von Verfahrensschritt A verwendet.

Besonders bevorzugt umfasst die Bildaufnahmeeinheit auch eine Farbkamera zur Aufnahme eines Farbbildes, um der Oberfläche eines erstellten dreidimensionalen Modells des Objekts, eine realistische, insbesondere farbige und/oder texturierte Abbildung der tatsächlichen Oberfläche des Modells zuzuordnen. Die Verwendung solcher Bildaufnahmeeinheiten ist insbesondere zur Durchführung des Verfahrensschritts A vorteilhaft.

Vorteilhafterweise wird daher eine Bildaufnahmeeinheit verwendet, welche wie zuvor beschrieben eine Projektionseinheit zum Projizieren eines Musters, insbesondere eines Streifenmusters auf das Objekt aufweist und eine zugeordnete Kamera, insbesondere eine Schwarz-Weiß-Kamera. Mit dieser Kamera wird somit bei Projektion des Musters ein ortsaufgelöstes Bild erfasst, so dass aus der Mehrzahl von ortsaufgelöster Bildern in an sich bekannter Weise, insbesondere gemäß dem Verfahren der Streifenlichtprojektion, ein dreidimensionales Modell erstellt werden kann. Bevorzugt wird mittels einer weiteren Kamera, insbesondere einer Farbkamera wie zuvor beschrieben gleichzeitig oder in zeitlich kurzem Abstand nach Aufnehmen eines ortsaufgelösten Bildes zusätzlich ein weiteres Kamerabild zum Aufnehmen der Textur des Objekts, insbesondere ein Farbbild aufgenommen, bevorzugt ohne dass eine Streifenprojektion erfolgt. Insbesondere ist es somit besonders vorteilhaft, abwechselnd jeweils ein ortsaufgelöstes Bild mit Streifenprojektion und, insbesondere in zeitlich kurzem Abstand, ohne Projektion des Streifenmusters ein Farbbild aufzunehmen: Die zuvor beschriebene Bildaufnahmeeinheit nimmt in schneller zeitlicher Abfolge sowohl Bilder mit projizierten Streifen wie auch Bilder ohne die Streifen auf. Die Bilder ohne die Streifen enthalten das ortsaufgelöste Aussehen des Messobjekts (Textur). Unterstützt durch den engen zeitlichen Abstand zwischen den Aufnahmen können den durch die Streifenprojektion bestimmten 3D-Koordinaten jeweils Pixel der Textur zugeordnet werden.

Umgekehrt können einem Pixel der Textur 3D-Koordinaten zugeordnet werden. Auf diese Weise kann somit dem dreidimensionalen Modell auch Texturinformation zugeordnet werden, welche den tatsächlichen optischen Eindruck der Oberfläche des Modells entspricht. Aufgrund des zeitlich kurzen Abstandes ist die Perspektive und die Position der Bildaufnahmeeinheit bei den zeitgleich oder in schneller zeitlicher Folge aufgenommenen Bildern identisch oder nur geringfügig abweichend, auch wenn beispielsweise der Benutzer mittels eines handgehaltenen Modells dieses relativ zu dem Objekt bewegt.

Ebenso liegt die Verwendung von Bildaufnahmeeinheiten im Rahmen der Erfindung, welche mehrere ortsaufgelöste Bilddetektoren umfassen, wobei durch geeignete Kombination der Bildinformation aus den mehreren Bilddetektoren das ortsaufgelöste Bild der Bildaufnahmeeinheit erstellt wird.

In Verfahrensschritt B erfolgt ein Erstellen eines dreidimensionalen Messobjekt-Modells, das zumindest die Messoberfläche des Messobjekts umfasst, mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern der Messoberfläche gemäß Verfahrensschritt A. Das Erstellen erfolgt bevorzugt durch die Verwendung von Photogrammetrie.

Photogrammetrische Verfahren sind an sich aus der Geodäsie und Fernerkundung bekannt. Inzwischen wird Photogrammetrie jedoch ebenso zur Ermittlung der räumlichen Lage und/oder der dreidimensionalen Form eines Objekts mittels einer Mehrzahl ortsaufgelöster Messbilder verwendet.

Die eingangs erwähnte Aufgabe ist daher ebenfalls durch die Verwendung von Photogrammetrie zur Bestimmung des Strahlverlaufs eines Messstrahls einer interferometrischen Messvorrichtung gelöst.

Um eine präzise Bestimmung des dreidimensionalen Modells zu ermöglichen, werden bevorzugt die ortsaufgelösten Bilder derart erfasst, dass zumindest in den Randbereichen eine Überlappung mit dem jeweils nachfolgenden Bild vorliegt. Aufgrund der typischen Größenordnung der Messobjekte, für welche das Verfahren Anwendung findet, ist insbesondere die Verwendung von Methoden der Nahbereichsphotogrammetrie vorteilhaft:

Eine mögliche Ausgestaltung ist die Bestimmung von eindeutigen Merkmalen in den ortsaufgelösten Bildern und die anschließende Triangulation von Koordinaten. Mittels scale-invariant feature transform SIFT, insbesondere gemäß US 6,711,293 B1, speeded-up robust features SURF und ähnlichen einschlägig bekannten Verfahren werden identifizierbare Merkmale in den ortsaufgelösten Bildern bestimmt. Diese Merkmale werden in mehreren der ortsaufgelösten Bilder gesucht und einander zugeordnet. Die Zuordnung wird durch einen Algorithmus durchgeführt, der in etwa passende Nachbarn für die Merkmale in einem multidimensionalen Raum bestimmt, welcher durch die Feature-Vektoren (SIFT, SURF, etc.) aufgespannt wird. Beispiele hierfür sind das einfache Ausprobieren (Brute Force) oder die Fast Library for Approximate Nearest Neighbor Search (FLANN: Marius Muja and David G. Lowe, „Fast Approximate Nearest Neighbors with Automatic Algorithm Configuration“, in International Conference on Computer Vision Theory and Applications (VISAPP'09), 2009). Auch andere Verfahren sind denkbar. Basierend auf den Abbildungseigenschaften der verwendeten Bildaufnahmeeinheit können dann die Perspektiven der Bilder berechnet und basierend auf den Merkmal-Korrespondenzen Koordinaten ermittelt werden, vorzugsweise per Triangulation. Die mehrfache Durchführung dieser Koordiantenermittlung ergibt eine Mehrzahl von 3D Koordinaten welche zu einem Modell kombiniert werden. Dies entspricht dem Verfahrensschritt B. Eine Übersicht über diese und weitere verfügbare derartige Verfahren findet sich auch unter https://en.wikipedia.org/wiki/Structure from motion.

Eine weitere mögliche Ausgestaltung hierbei ist die Verwendung der an sich bekannten und zuvor erwähnten Musterprojektion, bevorzugt in der Ausführungsform einer Streifenprojektion. Bei der Musterprojektion entfällt die aufwendige Suche nach den passenden Nachbarn in mehreren der ortsaufgelösten Bilder, und die Triangulation kann basierend auf der bekannten Beziehung zwischen Musterprojektionseinheit und Kamera erfolgen. Auch hier erhält man eine Mehrzahl von 3D Koordinaten, welche entsprechend Verfahrensschritt B zu einem Modell kombiniert werden. Bewegliche Messvorrichtungen zur Aufnahme einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern eines Objekts und Erstellen eines dreidimensionalen Modells sind bereits käuflich erwerbbar. Diese Bildaufnahmeeinheiten weisen typischerweise zusätzlich zu einer Aufnahmeeinheit zum Erfassen des ortsaufgelösten Bildes, insbesondere einer Kamera, auch eine Projektionseinheit zum Projizieren eines Musters, insbesondere zum Projizieren von Streifen für das Verfahren der Streifenlichtprojektion auf.

Bevorzugt wird hierfür einer der nachfolgend genannten, handelsüblich erhältlichen 3D-Scanner verwendet (die nachfolgend genannten Bezeichnungen sind Handelsbezeichnungen, deren Rechte bei den jeweiligen Inhabern liegen): Artec Eva, Artec Spider, Creaform GoScan 3D, Creaform Handyscan 3D, Creaform Metrascan 3D.

In Verfahrensschritt C erfolgt ein Bereitstellen einer Strahllage-Bildaufnahmeeinheit und das Aufnehmen von mindestens einem ortsaufgelösten Strahllage-Bestimmungsbild zumindest der Messoberfläche des Messobjekts mithilfe der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit. Grundsätzlich kann als Strahllage-Bildaufnahmeeinheit eine beliebige Bildaufnahmeeinheit verwendet werden, deren räumliche Relation zu dem Strahlverlauf des Messstrahls gemäß dem nachfolgend näher erläuterten Verfahrensanspruch E bereitgestellt werden kann, insbesondere eine der zuvor beschriebenen Bildaufnahmeeinheiten.

Es sind Messvorrichtungen zur interferometrischen Vermessung eines Objekts bekannt, welche bereits eine Bildaufnahmeeinheit aufweisen. Eine solche Bildaufnahmeeinheit wird beispielsweise verwendet, um dem Benutzer eine Ansicht der Messoberfläche auf einem Bildschirm der Messvorrichtung zu ermöglichen. Solche Bildaufnahmeeinheiten sind typischerweise mit der Messvorrichtung verbunden, insbesondere sind Messvorrichtungen bekannt, bei welchen ein oder mehrere Messköpfe und eine Bildaufnahmeeinheit an einer gemeinsamen Haltevorrichtung angeordnet sind. Es ist daher vorteilhaft, eine solche Bildaufnahmeeinheit als Strahllage-Bildaufnahmeeinheit zu verwenden.

In Verfahrensschritt D erfolgt ein Bestimmen der räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit relativ zum Messobjekt mithilfe des mindestens einen Strahllage-Bestimmungsbildes in Kombination mit dem dreidimensionalen Messobjekt-Modell und/oder der Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern.

Wie zuvor beschrieben, liegt der vorliegenden Erfindung das Grundprinzip zugrunde, dass der Strahlverlauf in einem Koordinatensystem des ortsaufgelösten Messobjekt-Modells mithilfe eines räumlichen Bezugs der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit relativ zum Messobjekt einerseits und des Strahlverlaufs relativ zu der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit andererseits bestimmbar ist.

In Verfahrensschritt D erfolgt hierzu ein erster Schritt unter Verwendung des ortsaufgelösten Strahllage-Bestimmungsbildes und des dreidimensionalen Messobjekt-Modells und/oder der Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern.

Dies erfolgt bevorzugt mittels Vergleich des Strahllage-Bestimmungsbildes mit mittels des dreidimensionalen Messobjekt-Modells berechneten Ansichten aus verschiedenen Perspektiven. Hierdurch können automatisiert Aufnahmeort und Aufnahmerichtung des Strahllage-Bestimmungsbildes und somit die Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit im dreidimensionalen Messobjekt-Modell bestimmt werden. Es können somit insbesondere der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit Koordinaten im Koordinatensystem des Messobjekt-Modells zugeordnet werden:

Die Bestimmung von Lage und Orientierung eines dreidimensionalen Modells in einem ortsaufgelösten Bild ist aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus: DOI: 10.1109/ICCV.2017.23. Durch die dann bekannte Lage und Orientierung kann für jeden Bildpunkt des zugehörigen ortsaufgelösten Bilds bestimmt werden, ob es einen Teil der Oberfläche des dreidimensionalen Modells darstellt. Falls es einen Teil der Oberfläche des dreidimensionalen Modells darstellt, können die nächstgelegenen bekannten 3D-Koordinaten der Oberfläche des dreidimensionalen Modells bestimmt werden und durch eine geeignete Interpolation die 3D-Koordinaten des Teils der Oberfläche bestimmt werden, die in dem jeweiligen Bildpunkt des ortsaufgelösten Punkts dargestellt wird. Auf jeden Fall ist es durch die Bestimmung der Lage und Orientierung des dreidimensionalen Messobjekt-Modells in einem ortsaufgelösten Bild dann auch möglich, jedem Ort, insbesondere jedem Bildpunkt des ortsaufgelösten Bildes, insbesondere eines Bildes der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit, die zugehörigen 3D-Koordinaten im dreidimensionalen Messobjekt-Modell zuzuordnen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in 6 und 7 gezeigt sowie den zugehörigen Figurenbeschreibungen erläutert.

Durch das beschriebene Verfahren ist es umgekehrt natürlich auch möglich, Aufnahmeort und Aufnahmerichtung der Bildaufnahmeeinheit, die das ortsaufgelöste Bild aufgenommen hat, relativ zum dreidimensionalen Modell zu bestimmen; im konkreten Fall wird hierdurch die Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit relativ zum dreidimensionalen Messobjekt-Modell bestimmt.

Verfahrensschritt D kann hierbei gegebenenfalls das Anfitten eines Messobjekt-Abgleichmodells, beispielsweise aus CAD- oder FE-Daten, an das Messobjekt-Modell gemäß eines der nachfolgend im Zusammenhang mit Verfahrensschritt E beschriebenen Verfahren umfassen, wobei dieses in seiner Lage und Ausrichtung an das Messobjekt-Modell angepasste Abgleichmodell dann statt oder zusätzlich zu diesem zur Identifizierung der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit relativ zum Messobjekt und/oder zur Bestimmung der Zuordnungsvorschrift zwischen Positionen auf ortsaufgelösten Bildern der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit und den zugehörigen Punkten im dreidimensionalen Messobjekt-Modell herangezogen wird. Dadurch lassen sich in manchen Fällen noch genauere Ergebnisse erzielen.

In Verfahrensschritt E erfolgt ein Bereitstellen einer räumlichen Relation zwischen dem räumlichen Strahlverlauf des Messstrahls der interferometrischen Messvorrichtung und der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit.

Die räumliche Relation zwischen zwei Objekten bezeichnet hierbei einen räumlichen Bezug, bei welchem noch unbekannte Parameter vorliegen können. Im Gegensatz zu einem räumlichen Bezug zwischen zwei Objekten, dessen Vorgeben unmittelbar das Bestimmen einer Koordinatentransformation zwischen einem Koordinatensystem des ersten Objekts und einem Koordinatensystem des zweiten Objekts und damit die Darstellung beider Objekte im selben Koordinatensystem ermöglicht, kann die räumliche Relation zwischen zwei Objekten auch zunächst noch nicht bestimmte Parameter enthalten, deren Bestimmung aber notwendig ist, um eine Koordinatentransformation zwischen den Koordinatensystemen der beiden Objekte letztendlich tatsächlich durchführen zu können bzw. die Darstellung beider Objekte im selben Koordinatensystem zu ermöglichen.

Beispielsweise kann durch eine Relation die räumliche Ausrichtung zweier Objekte zueinander vorgegeben werden, der Abstand zwischen den beiden Objekten jedoch lediglich als noch zu bestimmender Parameter in der Relation enthalten sein. Für eine vollständige Koordinatentransformation ist dann noch zusätzlich die Bestimmung des Abstandes notwendig. Ebenso kann eine Relation die Ortspositionen zweier Objekte in einem gemeinsamen Koordinatensystem vorgeben, jedoch die Ausrichtung der beiden Objekte zueinander unbestimmt lassen. In diesem Beispiel können noch zu bestimmende Parameter, beispielsweise Drehwinkel um zwei zueinander senkrecht stehende Achsen sein, welche die Ausrichtung des zweiten Objekts relativ zu dem ersten Objekt beschreiben. Auch in diesem Fall ist somit die Bestimmung dieser Parameter wie beispielsweise der Drehwinkel notwendig, um eine Koordinatentransformation festlegen zu können bzw. die Darstellung beider Objekte im selben Koordinatensystem zu ermöglichen.

In Verfahrensschritt E kann als räumliche Relation direkt der räumliche Bezug zwischen dem Strahlverlauf und Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit bereitgestellt werden. Es kann jedoch auch eine räumliche Relation bereitgestellt werden, die allein noch keinen räumlichen Bezug darstellt, da sie zunächst noch unbestimmte Parameter enthält. Erst nach Ermitteln dieser zunächst noch unbestimmten Parameter der räumlichen Relation besteht dann ein räumlicher Bezug, und es kann dann eine räumliche Zuordnung zwischen dem räumlichen Strahlverlauf des Messstrahls der interferometrischen Messvorrichtung und der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit erfolgen. Bevorzugt wird zumindest eine räumliche Relation bereitgestellt, die lediglich einen oder zwei noch zu bestimmende Parameter aufweist, die sich nicht auf einfache Weise durch Kalibrieren oder durch Bereitstellen einer Messvorrichtung zu ihrer direkten Ermittlung bestimmen lassen, wie im Folgenden beschrieben wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Messvorrichtung eine Strahlrichteinheit zum Richten des Messstrahls auf mehrere ortsverschiedene Messpunkte auf. In dieser vorteilhaften Ausführungsform ist somit beispielsweise bei Kenntnis der Position und Ausrichtung der Strahlrichteinheit, insbesondere eines Gehäuses der Messvorrichtung, dennoch die Strahlrichtung des Messstrahls unbekannt, da diese wahlweise durch Vorgabe von Steuerparametern an die Strahlrichteinheit änderbar ist.

Insbesondere weist die Strahlrichteinheit bevorzugt zumindest einen, besonders bevorzugt zwei bewegliche optische Spiegel auf, um den Messstrahl durch Bewegen der Spiegel mittels Vorgabe der Steuerparameter in zu dem gewünschten Messpunkt korrespondierende Positionen zu bringen.

Für typische Strahlrichteinheiten ist ein Ortspunkt vorgebbar, welcher stets auf der optischen Achse des Messstrahls liegt oder stets in einem vorgegebenen räumlichen Bezug hierzu liegt. Dies kann beispielsweise ein Punkt auf einem Ablenkspiegel der Strahlrichteinheit oder einer Drehachse einer Ablenkeinheit sein.

Auch wenn sich somit die Strahlrichtung des Messstrahls abhängig von den Steuerparametern ändert, um einen gewünschten Messpunkt mit dem Messstrahl zu beaufschlagen, so kann in der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform dennoch eine Relation zwischen dem räumlichen Strahlverlauf des Messstrahls der interferometrischen Messvorrichtung und der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit gemäß Verfahrensschritt E vorgegeben werden. Insbesondere weisen typische Strahlrichteinheiten zwei Freiheitsgrade auf, beispielsweise die Ablenkung des Messstrahls in einer x-Richtung und einer hierzu senkrecht stehenden y-Richtung. Typische Strahlrichteinheiten werden somit mittels zweier unabhängiger Steuerparameter gesteuert. Es wird somit bevorzugt der Strahlverlauf abhängig von zwei zu bestimmenden Parametern wie zuvor beschrieben mittels der Relation vorgegeben, wobei die zwei zu bestimmenden Parameter die Steuerparameter oder hierzu korrespondierende Größen sind.

Es sind sogenannte kalibrierte Strahlrichteinheiten bekannt, bei welchen bereits eine Zuordnung zwischen den Steuerparametern und dem zugehörigen Strahlverlauf des Messstrahls relativ zu der Strahlrichteinheit vorgegeben ist. Ist in diesem Fall zusätzlich der räumliche Bezug zwischen der Strahlrichteinheit und der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit bekannt, so ist es auch möglich, mit Hilfe der bekannten Steuerparameter eine feste räumliche Lage des Strahlverlaufs relativ zu der räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit anzugeben, beispielsweise mittels der Auswerteeinheit. In diesem Fall ist somit ein räumlicher Bezug gegeben, und es müssen keine weiteren Parameter mehr bestimmt werden, um einen räumlichen Bezug zwischen Strahllage-Bildaufnahmeeinheit und Strahlverlauf des Messstrahls herzustellen, insbesondere, um den Strahlverlauf des Messstrahls in einem Koordinatensystem der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit anzugeben.

Entsprechend gibt es auch Strahlrichteinheiten, bei denen die Strahlrichtung anhand von zusätzlichen Messvorrichtungen, beispielsweise Positions- oder Winkelmessvorrichtungen, die Verfahrwege oder Kippwinkel messen, bestimmbar ist. In diesem Fall kann unter Ausnutzung der Messwerte dieser Messvorrichtungen eine feste räumliche Lage des Strahlverlaufs relativ zu der räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit und/oder der Strahlrichteinheit angegeben werden. Auch hier müssen dann keine weiteren Parameter mehr bestimmt werden, um einen räumlichen Bezug zwischen Strahllage-Bildaufnahmeeinheit und Strahlverlauf des Messstrahls herzustellen; gegebenenfalls wird hier wieder ein bekannter räumlicher Bezug zwischen der Strahlrichteinheit und der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit genutzt.

Es sind auch kalibrierte Strahlrichteinheiten vorstellbar, bei denen außerdem zusätzliche Parameter wie beschrieben mittels zusätzlicher Messvorrichtungen ermittelt und zur Bestimmung des Strahlverlaufs benutzt werden. In diesem Fall kann wieder mittels der Steuerparameter und unter Ausnutzung der Messwerte der zusätzlichen Messvorrichtungen eine feste räumliche Lage des Strahlverlaufs relativ zu der räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit angegeben werden. Auch hier müssen dann keine weiteren Parameter mehr bestimmt werden, um einen räumlichen Bezug zwischen Strahllage-Bildaufnahmeeinheit und Strahlverlauf des Messstrahls herstellen zu können.

Das Verfahren ist jedoch nicht auf kalibrierte Strahlrichteinheiten oder Strahlrichteinheiten mit zusätzlichen Messvorrichtungen zur direkten Ermittlung ansonsten unbekannter Parameter beschränkt.

Auch bei solchen Strahlrichteinheiten, bei welchen eine Zuordnung von Steuerparametern zu dem Strahlverlauf nicht bekannt und auch nicht auf einfache Weise mit den üblicherweise zur Verfügung stehenden Mitteln möglich ist, kann das Verfahren angewendet werden. Insbesondere erlaubt es das Verfahren, selbst einen oder zwei anderweitig nicht bestimmte oder bestimmbare Strahlparameter zu ermitteln, wie im nachfolgenden Verfahrensschritt F beschrieben wird.

Auch bei einer Messvorrichtung mit einer Strahlrichteinheit wie zuvor beschrieben, bei der in Verfahrensschritt E nur eine räumliche Relation zwischen dem räumlichen Strahlverlauf des Messstrahls der interferometrischen Messvorrichtung und der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit bereitgestellt wird, die noch von einem oder zwei zu bestimmenden Parametern abhängig ist, kann somit mittels des Verfahrens der räumliche Strahlverlauf des des Messstrahls der interferometrischen Messvorrichtung relativ zum Messobjekt bestimmt werden.

Vorteilhafterweise wird in Verfahrensschritt E die räumliche Relation als räumlicher Bezug, insbesondere als feste räumliche Lage des Strahlverlaufs relativ zu der räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit vorgegeben. In dieser vorteilhaften Ausführungsform ist somit die Anordnung des Messstrahls relativ zu der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit bekannt und kann in einfacher Weise vorgegeben werden. Es müssen in dieser vorteilhaften Ausführungsform somit keine weiteren Parameter bestimmt werden. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit sowie der Strahlverlauf in einem gemeinsamen Koordinatensystem angegeben werden.

Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Messvorrichtung eine Strahllage-Bildaufnahmeeinheit auf, welche ortsfest mit der interferometrischen Messvorrichtung, insbesondere mit einem Messkopf der interferometrischen Messvorrichtung verbunden ist. Hierdurch kann der räumliche Bezug zwischen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit und dem Strahlverlauf des Messstrahls einmalig bestimmt und vorgegeben werden.

Messvorrichtungen, bei welchen der räumliche Bezug zwischen Messstrahlverlauf und Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit fest vorgegeben ist, weisen den Nachteil auf, dass der Benutzer die gesamte Messvorrichtung bewegen muss, um den Messstrahl auf einen gewünschten Punkt zu richten.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind Strahllage-Bildaufnahmeeinheit und zumindest ein Messkopf der interferometrischen Messvorrichtung an einer gemeinsamen Haltevorrichtung angeordnet, wobei der Messkopf relativ zu der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit in einer oder zwei Achsen schwenkbar und/oder relativ zu der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit verschiebbar angeordnet ist.

Der Benutzer kann somit durch Drehen und/oder Verschieben des Messkopfes eine gewünschte Strahlausrichtung erzielen. Vorteilhafterweise weist die Messvorrichtung eine oder mehrere Positions- oder Winkeldetektoren auf, welche die vom Benutzer gewählte Position des Messkopfes detektieren, insbesondere einen oder mehrere Drehwinkel und/oder eine oder mehrere Verschiebepositionen. Die Auswerteeinheit ist mit dem oder den Detektoren verbunden und ausgebildet, abhängig von Messsignalen des oder der Detektoren die fehlenden Informationen zu ermitteln, insbesondere eine Verschiebeposition und/oder eine Kippposition eines Messkopfes relativ zu der Haltevorrichtung und/oder der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit. Auch in dieser vorteilhaften Ausführungsform ist somit keine zusätzliche Bestimmung von Parametern notwendig, da ein räumlich fester Bezug zwischen Messstrahlverlauf und Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit basierend auf den Werten der Positions- oder Winkeldetektoren bestimmbar ist.

Ein Bereitstellen der räumlichen Relation in Verfahrensschritt E erfolgt bevorzugt mittels eines Messvorrichtung-Modells, das bevorzugt zumindest die Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit relativ zum Strahlverlauf des Messstrahls umfasst. Ein Messvorrichtung-Modell wird somit vorteilhafterweise in denjenigen Fällen bereitgestellt, bei denen die räumliche Relation zwischen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit relativ zum Strahlverlauf des Messstrahls nicht bekannt ist. Dies kann der Fall sein, wenn die räumlichen Gegebenheiten grundsätzlich unbekannt sind oder, wenn zwar Einheiten mit bekannten Maßen verwendet werden, jedoch Einstellmöglichkeiten für den Benutzer bestehen.

In dieser vorteilhaften Ausführungsform wird in Verfahrensschritt E ein Messvorrichtung-Modell bereitgestellt, welches zumindest ein Messkopfelement eines Messkopfes der interferometrischen Messvorrichtung umfasst, welches in einem vorgegebenen räumlichen Bezug zu dem Messstrahl steht und zumindest ein Strahllage-Bildaufnahmeeinheit-Element umfasst, welches in einem vorgegebenen räumlichen Bezug zu der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit steht.

Mittels des Messvorrichtung-Modells kann eine räumliche Relation, insbesondere ein räumlicher Bezug zwischen dem räumlichen Strahlverlauf des Messstrahls der interferometrischen Messvorrichtung und der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit bereitgestellt werden. Das Messvorrichtung-Modell wird somit verwendet, um eine Zuordnung geometrischer Daten des Messstrahls zu der räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit zu ermöglichen.

Beispiele für Messkopfelemente und einen zugeordneten vorgegebenen Bezug zu dem Messstrahl sind nachfolgend als bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrensschrittes E aufgeführt:

Messkopfelementvorgegebener Bezug/RelationAustrittsöffnung des Messkopfs für den Messstrahl, beispielsweise der Rand der Austrittsöffnung, welcher durch einen Kreis definiert wird.Position des Messstrahlaustritts innerhalb der AustrittsöffnungAustrittsöffnung des Messkopfs für den Messstrahl, beispielsweise der Rand der Austrittsöffnung, welcher durch einen Kreis definiert wird.Richtungsvektor des Messstrahls anhand einer Normale zur Ebene, die im Beispiel durch den Rand der Austrittsöffnung definiert ist.Insbesondere in Kombination mit der Position des Messstrahlaustritts, ist der Messstrahlverlauf dann vollständig definiert.Element am Gehäuse des Messkopfes oder ein ortsfest mit dem Messkopf verbundenes Element. Dies sind beispielsweise Kanten oder Vertiefungen des Gehäuses.Position des Messstrahlaustritts relativ zu dem ElementElement am Gehäuse des Messkopfes oder ein ortsfest mit dem Messkopf verbundenes Element. Dies sind beispielsweise Kanten oder Vertiefungen des Gehäuses.Richtungsvektor des Messstrahls anhand des gegebenen Bezugselements.Insbesondere in Kombination mit der Position des Messstrahlaustritts, ist der Messstrahlverlauf dann vollständig definiert.Element am Gehäuse des Messkopfes oder ein ortsfest mit dem Messkopf verbundenes Element. Dies sind beispielsweise Kanten oder Vertiefungen des Gehäuses.Abstand des Elementes zu dem Messstrahl und/oder ein Winkel, welcher das Element mit dem Messstrahl einschließt, insbesondere, dass sich das Element parallel zu dem Messstrahl erstrecktfeststellbares Ausrichtelement, zum Drehen, Kippen und/oder Verschieben des MesskopfesAbstand des Elementes zu dem Messstrahl, insbesondere zum Drehpunkt.

Bevorzugt wird die räumliche Relation zwischen dem räumlichen Strahlverlauf des Messstrahls und der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit als räumlicher Bezug bereitgestellt, sodass somit keine weitere Bestimmung von Parametern notwendig ist. Insbesondere wird bevorzugt ein Messkopf-Element mit einem vorgegebenen Bezug zu dem Messstrahlverlauf vorgegeben, so dass nach Bestimmung des räumlichen Bezugs des Messkopf-Elementes zur Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit keine Parameter mehr bestimmt werden müssen.

Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass das Messkopf-Element und eine Relation zwischen Strahlverlauf und Messkopf-Element vorgegeben werden, so dass nachfolgend in Verfahrensschritt F noch die Bestimmung von mindestens einem Parameter, insbesondere einem oder zwei Parametern erfolgen muss. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn wie oben ausgeführt das Messkopfelement ein Ausrichtelement wie beispielsweise ein Drehpunkt des Messkopfes ist und als Relation der Abstand des Messstrahls zu dem Drehpunkt vorgegeben ist. In diesem Fall ist somit der räumliche Bezug des Drehpunktes zu der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit bekannt, nicht jedoch die tatsächliche Ausrichtung des Messkopfes am Drehpunkt, die beispielswiese durch zwei Winkel beschrieben werden kann. Diese beiden Winkel stellen somit wie bereits beschrieben zwei Parameter dar, welche in Verfahrensschritt F zu bestimmen sind, sofern sie nicht mittels zusätzlicher Messvorrichtungen direkt bestimmt werden.

In bevorzugter Weise wird das Messkopfelement als vollständige schematische Repräsentation des Messkopfes hinterlegt, in welcher der Verlauf des Messstrahls definiert ist. Bei der späteren Verwendung können dann die nicht benötigten Teilbereiche ausgeblendet werden.

Das Strahllage-Bildaufnahmeeinheit-Element steht analog in einem vorgegebenen räumlichen Bezug zu der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit, sodass bei Kenntnis der Position und Ausrichtung des Strahllage-Bildaufnahmeeinheit-Elementes die Position und räumliche Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit durch den vorgegebenen Bezug bestimmt werden kann. Beispielsweise kann ein Strahllage-Bildaufnahmeeinheit-Element ein Element des Gehäuses einer Kamera sein. Der vorgegebene Bezug ist in diesem Fall der räumliche Bezug des Strahllage-Bildaufnahmeeinheit-Elementes zu dem Aufnahmeort der Bildaufnahmeeinheit.

Das Messvorrichtung-Modell kann vorgegeben werden, insbesondere basierend auf CAD-Daten, FE-Daten oder anderen vorausgegangenen Schritten zum Bereitstellen eines Messvorrichtung-Modells.

Vorteilhafterweise werden ortsaufgelöste Bilder zum Erstellen des Messvorrichtung-Modells verwendet: Vorteilhafterweise weist Verfahrensschritt E daher folgende Verfahrensschritte auf:

  • Ei. Aufnehmen einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Messvorrichtungs-Bildern, welche zumindest das Messkopfelement und das Strahllage-Bildaufnahmeeinheit-Element umfassen, aus unterschiedlichen Perspektiven;
  • Eii. Erstellen eines Messvorrichtung-Modells, welches zumindest das Messkopfelement und das Strahllage-Bildaufnahmeeinheit-Element aufweist, mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Messvorrichtungs-Bildern.

Die Verfahrensschritte Ei und Eii dienen somit zum Bereitstellen des Messvorrichtung-Modells.

In dieser vorteilhaften Ausführungsform ergibt sich somit der Vorteil, dass zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, die zum Bereitstellen des Messvorrichtung-Modells notwendigen Daten durch Aufnahme der ortsaufgelösten Bilder erfasst werden. Insbesondere kann in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform das Erstellen des Messvorrichtung-Modells analog zu den Verfahrensschritten A und B erfolgen: Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, dass sämtliche ortsaufgelöste Bilder gemäß Verfahrensschritt A und Verfahrensschritt Ei mittels derselben Bildaufnahmeeinheit erfasst werden. Ebenso liegt die Verwendung unterschiedlicher Bildaufnahmeeinheiten zum Erstellen der ortsaufgelösten Bilder im Rahmen der Erfindung, insbesondere einer ersten Bildaufnahmeeinheit zum Durchführen des Verfahrensschrittes A und einer zweiten Bildaufnahmeeinheit zum Durchführen des Verfahrensschrittes Ei. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist Verfahrensschritt Ei in Verfahrensschritt A integriert.

Die ortsaufgelösten Bilder zur Erstellung des Messvorrichtung-Modells werden bevorzugt mittels einer zu Verfahrensschritt A genannten Bildaufnahmeeinheit aufgenommen. Die Erstellung des dreidimensionalen Modells erfolgt bevorzugt mittels Photogrammetrie, insbesondere bevorzugt wie bei Verfahrensschritt B beschrieben.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird ein Messkopf-Abgleichmodell vorgegeben, welches zumindest das Messkopfelement zumindest schematisch umfasst und ein Strahllage-Bildaufnahmeeinheit-Abgleichmodell vorgegeben, welches zumindest die Strahllage-Bildaufnahmeeinheit zumindest schematisch umfasst. Weiterhin ist der Strahlverlauf des Messstrahls zumindest im Messkopf-Abgleichmodell vorgegeben.

Insbesondere ist im Messkopf-Abgleichmodell bevorzugt zumindest

  • - ein Ort, der auf der vom Messstrahl definierten optischen Achse oder in einem vorgegebenen räumlichen Bezug hierzu liegt und/oder
  • - ein durch die Messstrahlausbreitungsrichtung vorgegebener Richtungsvektor und/oder
  • - der Strahlverlauf im Abgleichmodell abhängig von zwei zu bestimmenden Parametern, insbesondere zwei Drehwinkeln des Messkopfes

vorgegeben.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Messkopf-Abgleichmodell und/oder das Strahllage-Bildaufnahmeeinheit-Abgleichmodell, bevorzugt beide Abgleichmodelle schematische Modelle, die beispielsweise auf CAD-Daten, FE-Daten oder anderen vorausgegangenen Schritten zum Bereitstellen eines Messvorrichtung-Modells basieren.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Messkopf-Abgleichmodell eine schematische Struktur des Messkopfes, insbesondere lediglich eine schematische Struktur des Messkopfes. In dieser vorteilhaften Ausführungsform wird somit lediglich in abstrahierter Weise die Form des Messkopfes oder von Teilen des Messkopfes vorgegeben. Häufig weisen Messköpfe einfach geometrische Formen auf. Insbesondere sind in etwa zylinderförmige oder quaderförmige Messköpfe bekannt oder Messköpfe, deren Form aus einer Kombination weniger Zylinder und Quader angenähert werden kann. In besonders verfahrensökonomischer Weise kann daher eine näherungsweise geometrische Struktur, wie beispielsweise ein Zylinder oder Quader oder eine Kombination aus Zylindern und Quadern, als Abgleichmodell vorgegeben werden. Im Unterschied zu dem zuvor beschriebenen Verfahrensschritt erfolgt in dieser vorteilhaften Ausgestaltung gemäß zusätzlich ein Abgleich des Abgleichmodells mit einem Messvorrichtung-Modell, welches durch Erfassen mehrerer ortsaufgelöster Bilder aus mehreren Perspektiven erstellt wurde, insbesondere wie zuvor beschrieben. Das Strahllage-Bildaufnahmeeinheit-Abgleichmodell ist bevorzugt analog ausgebildet.

Ein Abgleichmodell, bevorzugt das Messkopf-Abgleichmodell, weist bevorzugt als zusätzliche Information einen vorgegebenen Bezug zu dem Messstrahl auf. Das vorgegebene Modell enthält somit das Messkopfelement oder stellt das Messkopfelement dar. Es erfolgt jedoch zusätzlich ein Abgleich mit dem zuvor genannten, auf den ortsaufgelösten Bildern aus mehreren Perspektiven basierenden Modell, sodass im Ergebnis ein Messvorrichtung-Modell vorliegt, welches das auf der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern aus verschiedenen Perspektiven basierende Modell und die Information des Messkopf-Abgleichmodells, insbesondere mit dem vorgegebenen Bezug zu dem Messstrahl umfasst.

Der Abgleich des Messvorrichtung-Modells mit dem Messkopf-Abgleichmodell und mit dem Strahllage-Bildaufnahmeeinheit-Abgleichmodell wird auch „Anfitten“ genannt und kann mittels an sich bekannter Verfahrensschritte erfolgen, bevorzugt folgendermaßen:

Die Vorgehensweise ist hierbei in zwei sequenzielle Schritte gegliedert. Erstens wird die Transformation bestimmt, welche das jeweilige Abgleichmodell in das Messvorrichtung-Modell transformiert (Rotation und Translation). Dieser Vorgang wird allgemein als Globale Registrierung bezeichnet. Anschließend wird die Transformation so verfeinert, dass die Punktwolken von Messvorrichtung-Modell und Abgleichmodell zur besten Deckung gebracht werden. Anhand der bestimmten Transformation können jegliche Punkte und Vektoren, welche mit dem Abgleichmodell verknüpft sind, anschließend in das Messvorrichtung-Modell transformiert werden, z.B. Messstrahlaustrittspunkt, Messstrahlverlauf oder Hilfsstrahlaustrittspunkt und -verlauf).

Die Globale Registrierung kann beispielsweise über Fast Point Feature Histograms (FPFH) erfolgen (DOI: 10.1109/ROBOT.2009.5152473). Diese repräsentieren Punkte mit ihren lokalen Eigenschaften (umgebende Punkte, Oberflächennormale etc.) in einem multidimensionalen Raum. Sowohl für das verwendete Abgleichmodell als auch für das Messvorrichtung-Modell werden diese FPFH berechnet und in einem iterativen Verfahren Punktkorrespondenzen ausgewählt und die resultierende Transformation berechnet. Die Abweichungen nach diesem Schritt sind im Regelfall so klein, dass in einem zweiten Schritt ohne die Verwendung von FPFH eine Verfeinerung der Transformation erfolgen kann.

Für initial grob ausgerichtete Modelle wird für die Verbesserung des Abgleichs häufig ein Iterative Closest Point (ICP) Algorithmus angewendet, z. B. gemäß DOI: 10.1109/IM.2001.924423. Dieser bestimmt aus der Punktwolke des Messvorrichtung-Modells die Punkte mit dem geringsten Abstand im Abgleichmodell und passt die Transformation so an, dass deren Abstand minimiert wird (Point-to-Point). Die selektierten Punkte werden anhand eines Grenzwertes gefiltert. In mehreren Iterationsschritten wird die Transformation verbessert und immer mehr Punkte selektiert und zur Deckung gebracht. Zusätzlich zum Punktabstand kann auch die Oberflächennormale verwendet werden (Point-to-Plane).

Umgekehrt kann auch das Messvorrichtung-Modell in das Abgleichmodell transformiert werden. Die Ergebnisse sind gleichwertig.

Abgleichmodelle können aus CAD-Modellen abgeleitet werden. Hierbei werden auf den bekannten Oberflächen Punkte interpoliert und ggf. anhand der Dreiecke die Oberflächennormale für jeden Punkt berechnet.

Alternativ kann ein schematisches Abgleichmodell hinterlegt werden, welches den Messkopf anhand von geometrischen Grundobjekten (Quader, Zylinder, Kugel, usw.) beschreibt. Für die Grundobjekte lassen sich auf deren Oberflächen Punkte mit beliebiger Dichte berechnen und ebenfalls die Oberflächennormale bestimmen. Die Verwendung einer Kombination aus CAD-Modell und schematischem Abgleichmodell wird folgend als beispielhafte Ausführung beschrieben. Es werden ein CAD-Modell des gesamten Messkopfes und eines des Objektivs als schematisches Modell verwendet:

  1. 1. Berechnung der FPFH sowohl für das CAD-Modell (Abgleichmodell) als auch für das Messvorrichtung-Modell.
  2. 2. Globale Registrierung der beiden Modelle
  3. 3. Verfeinerung der Transformation mittels ICP Algorithmus
  4. 4. Weitere Verfeinerung der Transformation mittels ICP Algorithmus unter Verwendung des schematischen Modells.

Ebenso kann die Verwendung eines Messvorrichtung-Modells mit der Verwendung von Positionsdetektoren kombiniert werden: In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ein Messvorrichtung-Modell bereitgestellt, welches zusätzlich Messdaten enthält. In dieser vorteilhaften Ausführungsform wird wie zuvor beschrieben eine Haltevorrichtung für den Messkopf benutzt, welche zumindest einen Positionsdetektor enthält. Der Messkopf ist derart an der Haltevorrichtung angeordnet, dass die Position des Messkopfes relativ zu der Haltevorrichtung geändert werden kann und die Position und/oder die Positionsänderung durch den Positionsdetektor detektiert wird, insbesondere wie zuvor beschrieben. Auch in dieser vorteilhaften Ausführungsform ist die räumliche Relation somit als räumlicher Bezug bereitgestellt, der keine weitere Bestimmung von Parametern mehr bedarf.

Die Bestimmung des Strahlverlaufs in Verfahrensschritt F ist jedoch ebenso möglich, wenn in Verfahrensschritt E lediglich eine Relation vorgegeben ist, bei der noch Parameter zu bestimmen sind: In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Messvorrichtung derart ausgebildet ist, dass zwischen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit und Strahlverlauf des Messstrahls eine Relation durch die Messvorrichtung vorgegeben wird, insbesondere eine Relation, welche abhängig von mindestens einem, bevorzugt von zwei zu bestimmenden Parametern ist. Die Bestimmung dieser Parameter erfolgt bevorzugt in Verfahrensschritt F, wie weiter unten näher erläutert.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird daher in Verfahrensschritt E die räumliche Relation abhängig von mindestens einem, bevorzugt von mindestens zwei zu bestimmenden Parametern, insbesondere bevorzugt von genau zwei Parametern vorgegeben. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass der oder die noch zu bestimmenden Parameter z. B. beschreiben:

  • - einen Ortspunkt auf der optischen Achse des Messstrahls,
  • - die Ausbreitungsrichtung des Messstrahls,
  • - einen Drehwinkels, insbesondere bei einer Verstellmöglichkeit des Messkopfes um eine Drehachse,
  • - zweier Drehwinkel, insbesondere bei einer Verstellmöglichkeit des Messkopfes um zwei Drehachsen und/oder
  • - einen Verschiebeweges oder eine Verschiebeposition, insbesondere bei einer Verstellmöglichkeit mittels Verschieben.

Eine räumliche Relation mit noch zu bestimmenden Parametern ist beispielsweise auch gegeben, wenn in der zuvor beschriebenen Ausführungsform mit Positionsdetektoren auf diese Detektoren verzichtet wird oder zumindest kein vollständiger räumlicher Bezug mittels der Detektoren bestimmbar ist, so dass noch zumindest ein zu bestimmender Parameter verbleibt.

Eine vollständige Bestimmung des räumlichen Bezugs zwischen Messstrahlverlauf und Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit erfordert somit eine Bestimmung der genannten Parameter, beispielsweise eines Drehwinkels, bei einer Verstellmöglichkeit um eine Drehachse, zweier Drehwinkel bei einer Verstellmöglichkeit um zwei Drehachsen oder eines Verschiebeweges oder einer Verschiebeposition bei einer Verstellmöglichkeit mittels Verschieben.

In der vorbeschriebenen vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist somit die Relation gemäß Verfahrensschritt E vorgegeben, es bedarf jedoch noch der Bestimmung von einem oder von zwei Parametern zum vollständigen Bereitstellen des räumlichen Bezugs, insbesondere bedarf es einer Ermittlung der durch den Benutzer gewählten Verschiebeposition und/oder Kippposition des Messkopfs relativ zu der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit oder des Messkopfs relativ zu der Haltevorrichtung, wenn der räumliche Bezug der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit zur Haltevorrichtung vorgegeben ist.

Vorteilhafterweise wird wie zuvor erwähnt in Verfahrensschritt E ein Messvorrichtung-Modell bereitgestellt, welches zumindest ein Messkopfelement eines Messkopfes der interferometrischen Messvorrichtung umfasst, welches in einem vorgegebenen räumlichen Bezug zu dem Messstrahl steht und zumindest ein Strahllage-Bildaufnahmeeinheit-Element umfasst, welches in einem vorgegebenen räumlichen Bezug zu der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit steht. Ebenso liegt es Rahmen der Erfindung, dass das Messvorrichtung-Modell lediglich eine Relation zwischen Messkopfelement und Messstrahl vorgibt und somit gemäß dieser vorteilhaften Ausführungsform auch bei Verwendung eines Messvorrichtung-Modells noch Parameter zu bestimmen sind und insbesondere in Verfahrensschritt F bestimmt werden.

Vorteilhafterweise wird mittels des Verfahrens für mehrere Messstrahlen mehrerer Messvorrichtungen jeweils der Strahlverlauf bestimmt. Hierbei wird in Verfahrensschritt E die räumliche Relation zwischen der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit und dem räumlichen Strahlverlauf jedes Messstrahls bereitgestellt.

In einigen Messsituationen ist es wünschenswert, mehrere Messvorrichtungen mit jeweils zumindest einem, bevorzugt genau einem Messstrahl zu verwenden. Hierdurch können ortsverschiedene Messpunkte auf dem Messobjekt gleichzeitig vermessen werden und/oder ein Messpunkt kann durch Messstrahlen mit unterschiedlichen Auftreffwinkeln der Messstrahlen auf dem Messobjekt vermessen werden, sodass Schwingungsinformation in mehreren Dimensionen ermittelt werden kann. Hierbei genügt das einmalige Durchführen der Verfahrensschritte A bis C. Vorteilhafterweise wird für alle Messvorrichtungen dieselbe Strahllage-Bildaufnahmeeinheit verwendet, so dass Verfahrensschritt D ebenfalls nur einmalig ausgeführt werden muss. In Verfahrensschritt E kann eine räumliche Relation zwischen jeder Messvorrichtung und der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit bereitgestellt werden. Ebenso kann für eine oder mehrerer Messvorrichtungen eine räumliche Relation zu einer anderen Messvorrichtung bereitgestellt werden, sofern für jede Messvorrichtung zumindest mittelbar eine räumliche Relation zur Strahllage-Bildaufnahmeeinheit bestimmbar ist.

Verfahrensschritt E stellt somit gemäß der vorangehenden Ausführung den zweiten Schritt dar, um die Grundlage für das Bestimmen des räumlichen Strahlverlaufs gemäß Verfahrensschritt F zu schaffen:

In Verfahrensschritt F wird der räumliche Strahlverlauf des Messstrahls der interferometrischen Messvorrichtung relativ zum Messobjekt abhängig von der in Verfahrensschritt E bereitgestellten Relation und der räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit relativ zum Messobjekt gemäß Verfahrensschritt D bestimmt. Es liegt somit vorzugsweise der räumliche Strahlverlauf des Messstrahls in einem Koordinatensystem des Messobjekt-Modells vor. Der räumliche Strahlverlauf kann beispielsweise durch die Angabe eines Ortspunktes auf der optischen Achse des Messstrahls sowie die Angabe einer Messstrahl-Ausbreitungsrichtung angegeben werden. Ebenso kann der räumliche Strahlverlauf durch die Angabe von zwei ortsverschiedenen Punkten auf der optischen Achse des Messstrahls erfolgen.

Grundsätzlich ist es vorteilhaft, den Verfahrensschritt F so auszugestalten, dass in Verfahrensschritt F der Messstrahlverlauf mittels Durchführen von Verfahrensschritt Fi und mindestens einem der Verfahrensschritte Fii und Fiii bestimmt wird:

  • Fi. Bestimmung der Koordinaten im Messobjekt-Modell mindestens eines Ortes, der auf der vom Messstrahl definierten optischen Achse oder in einem vorgegebenen räumlichen Bezug hierzu liegt;
  • Fii. Bestimmung des durch die Messstrahlausbreitungsrichtung vorgegebenen Richtungsvektors im Messobjekt-Modell;
  • Fiii. Bestimmung der Koordinaten eines zweiten Ortes im Messobjekt-Modell, der auf der vom Messstrahl definierten optischen Achse oder in einem vorgegebenen räumlichen Bezug hierzu liegt und ortsverschieden zu dem in Fi verwendeten Ort ist.

Insbesondere ist die Bestimmung des Messtrahlverlaufs durch Fi und Fii vorteilhaft, da wie zuvor beschrieben häufig aufgrund der Geometrie oder räumlichen Ausgestaltung insbesondere mittels eines Messvorrichtung-Modells ein Ort gemäß Fi und die Messtrahlausbreitungsrichtung gemäß Fii bestimmt werden kann. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, alle Schritte Fi, Fii und Fiii durchzuführen. In diesem Fall kann ein überbestimmtes System vorliegen, das eine höhere Genauigkeit bei der Bestimmung des Strahlverlaufs ermöglicht, oder das im Fall, dass in Verfahrensschritt E lediglich eine räumliche Relation mit noch zu ermittelnden Parametern zur Verfügung gestellt wird, dazu benutzt werden kann, die zunächst unbekannten Parameter zu ermitteln, wie weiter unten sowie in den Ausführungsbeispielen genauer erläutert wird.

In Verfahrensschritt Fiii kann ein beliebiger, zu dem Ort gemäß Fi ortsverschiedener Punkt, der auf der vom Messstrahl definierten optischen Achse oder in einem vorgegebenen räumlichen Bezug hierzu liegt, bestimmt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, in Verfahrensschritt Fi oder in Verfahrensschritt Fiii einen Auftreffpunkt des Messstrahls oder eines Hilfsstrahls auf dem Messobjekt zu verwenden:

Hier zeigt sich ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung: Aufgrund des in den Verfahrensschritten A und B erstellten dreidimensionalen Messobjekt-Modells können einem Punkt auf dem Messobjekt in einfacher Weise Koordinaten im Messobjekt-Modell zugeordnet werden. Dies ist insbesondere auch gerade dann möglich, wenn mittels der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit ein ortsaufgelöstes Bild aufgenommen wird und der genannte Punkt über das Bild der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit definiert oder identifiziert wird, da ja jeder Ortsposition in einem ortsaufgelösten Bild der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit ein Ort im dreidimensionalen Messobjekt-Modell zugeordnet werden kann und insbesondere auch dessen räumliche Koordinaten zugeordnet werden können.

Insbesondere ist es vorteilhaft, die Koordinaten von Messstrahlauftreffpunkten und/oder von Hilfsstrahlauftreffpunkten mittels folgender Verfahrensschritte zu bestimmen:

  • F.a Ermitteln einer Zuordnungsvorschrift zwischen den einzelnen Positionen auf einem ortsaufgelösten Bild der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit, insbesondere dem Strahllage-Bestimmungsbild, und den zugehörigen Punkten im dreidimensionalen Messobjekt-Modell mit Hilfe mindestens eines ortsaufgelösten Strahllage-Bestimmungsbildes in Kombination mit dem dreidimensionalen Messobjekt-Modell und/oder der Mehrzahl von ortsaufgelösten Messobjekt-Bildern;
  • F.b Bestimmen des Auftreffpunkts des Messstrahls und/oder des Hilfsstrahls auf der Messoberfläche anhand des ortsaufgelösten Bild der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit und der Zuordnungsvorschrift gemäß F.a.

Für die Identifikation/Lokalisierung des Strahlauftreffpunktes in einem ortsaufgelösten Bild, bevorzugt der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit, ist es vorteilhaft, das Bild temporär abzudunkeln (insbesondere durch ein Schließen einer Blende einer Kamera der Bildaufnahmeeinheit und/oder eine Verkürzung der Belichtungszeit) so dass bevorzugt im Wesentlichen nur noch der Messstrahl und/oder Hilfsstrahl mittels der Kamera erfasst wird und insbesondere eine Überbelichtung des Kamerabilds durch den Messstrahl und/oder Hilfsstrahl vermieden wird. Die Bildpunkt-Koordinaten des Messstrahls und/oder Hilfsstrahls werden bevorzugt durch eine geeignete Mittelung von Bildpunkt-Koordinaten mit Helligkeiten oberhalb eines Schwellwerts bestimmt.

Dieses Verfahren wird auch bevorzugt verwendet, um bei Verwenden mehrerer Strahlauftreffpunkte von Mess- und/oder Hilfsstrahlen die Ortskoordinaten der Auftreffpunkte im Messobjekt-Modell zu ermitteln. Hierbei kann es vorteilhaft sein, sequenziell jeweils lediglich einen Punkt zu bestrahlen, um eine eindeutige Zuordnung zwischen Auftreffpunkt und zugehörigem Strahl bzw. zugehöriger Strahlquelle zu erzielen. Ebenso liegen andere Zuordnungsverfahren im Rahmen der Erfindung, wie beispielsweise eine Modulation der Strahlen, eine Unterscheidung der Strahlen in Farbe, Größe und/oder Form des Auftreffpunktes oder andere mittels einer Bildaufnahmeeinheit bestimmbare Unterscheidungsmerkmale.

Da man wie beschrieben jedem Ort in mithilfe der Strahllage-Bestimmungseinheit aufgenommenen Bildern nun die zugehörigen 3D-Koordinaten im dreidimensionalen Messobjekt-Modell zuzuordnen kann, ist es natürlich auch sofort für jeden in einem Bild der Strahllage-Bestimmungseinheit identifizierbaren Strahlauftreffpunkt, insbesondere jeden Messstrahlauftreffpunkt, möglich, ihm die zugehörigen 3D-Koordinaten im dreidimensionalen Messobjekt-Modell zuzuweisen.

Wenn die in Verfahrensschritt E angegebene räumliche Relation zwischen dem räumlichen Strahlverlauf des Messstrahls der interferometrischen Messvorrichtung und der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit sogar ein räumlicher Bezug ist, dann lässt sich der Strahlverlauf des Messstrahls im gleichen Koordinatensystem wie die Strahllage-Bildaufnahmeeinheit beschreiben. Da wiederum aus Verfahrensschritt D die räumliche Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit relativ zum Messobjekt bekannt ist, lässt sich dann auf einfache Weise auch sofort der räumliche Strahlverlauf des Messstrahls der interferometrischen Messvorrichtung relativ zum Messobjekt bestimmen. Dies erfolgt, je nachdem, ob der räumliche Strahlverlauf in Verfahrensschritt E durch einen Punkt auf dem Messstrahl und einen Richtungsvektor oder zwei Punkte auf dem Messstrahl angegeben wurde, durch die Verfahrensschritte Fi und Fii bzw. Fi und Fiii.

Zusätzlich lassen sich in dieser Situation auch noch, bevorzugt mittels der Verfahrensschritte F.a und F.b, die Position bzw. die Koordinaten des Messstrahlauftreffpunkts auf dem Messobjekt bestimmen. Dadurch ist ein weiterer Punkt auf dem Messstrahl im Messobjekt-Koordinatensystem gegeben. Da dieser Punkt besondere relevant für die Auswertung der interferometrischen Messungen ist, insbesondere für Schwingungsmessungen, und die beschriebene direkte Bestimmung seiner Koordinaten sehr präzise ist, eignet sich dieser Punkt in besonderer Weise für die Bestimmung des räumlichen Strahlverlaufs des Messstrahls der interferometrischen Messvorrichtung. Er wird bevorzugt als einer der beiden Orte in Verfahrensschritt Fi und Fiii herangezogen und lässt sich wahlweise mit einem zweiten Punkt aus Verfahrensschritt Fi oder Fiii oder einem Richtungsvektor gemäß Verfahrensschritt Fii kombinieren, um den räumlichen Strahlverlauf des Messstrahls relativ zum Messobjekt zu bestimmen.

Es ist aber auch möglich, diesen Punkt zusammen mit bereits in den Verfahrensschritten Fi und Fiii bzw. Fi und Fii bestimmten weiteren Punkten oder dem Richtungsvektor zu kombinieren, um dadurch ein eigentlich überbestimmtes zu erhalten, bei dem man durch geeignete optimale Anpassungsverfahren eine höhere Genauigkeit bei der Bestimmung des Strahlverlaufs erreichen kann,
Wurde in Verfahrensschritt E eine räumliche Relation angegeben, die zunächst noch unbekannte Parameter enthält, so kann es generell möglich sein, einige oder mehrere hiervon durch geeignete Verfahren gesondert zu bestimmen und dazu zu nutzen, die in Verfahrensschritt E gegebene räumliche Relation zu präzisieren und gegebenenfalls sogar direkt in einen räumlichen Bezug zu überführen, der dann in Verfahrensschritt F wie voranstehend benutzt wird, um den Strahlverlauf relativ zum Messobjekt anzugeben. Derartige Parameter lassen sich beispielsweise wie unter Verfahrensschritt E beschrieben mittels geeigneter Messvorrichtungen bestimmen, oder sie sind bekannt, weil diese Parameter anhand einer kalibrierten Steuereinheit gesetzt werden.

Es kann aber auch die Situation gegeben sein, dass selbst nach diesem Schritt die räumliche Relation zwischen dem räumlichen Strahlverlauf des Messstrahls und der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit noch unbekannte Parameter enthält, die sich nicht durch die zuvor beschriebenen einfachen Maßnahmen bestimmen lassen.

In diesem Fall kann nun das Verfahren selbst dazu benutzt werden, um die verbleibenden unbekannten Parameter zu bestimmen:

Gemäß Verfahrensschritt E liegt eine räumliche Relation zwischen dem räumlichen Strahlverlauf des Messstrahls und der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit vor, die zwar kein räumlicher Bezug ist, sich aber bei Kenntnis der unbekannten Parameter in einen solchen überführen ließe.

Für alle möglichen Werte, die diese unbekannten Parameter im Prinzip annehmen könnten, gibt es nun tatsächlich jeweils einen zugehörigen eindeutigen räumlichen Bezug zwischen dem Verlauf des Messstrahls und der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit und damit nach Verfahrensschritt D auch einen zugehörigen Verlauf des Messstrahls relativ zum Messobjekt. Allerdings entspricht dieser nur dann dem tatsächlichen Verlauf, wenn die unbekannten Parameter richtig gewählt werden, insbesondere entspricht der mit Hilfe dieser Parameter errechnete Auftreffpunkt des Messstrahls auf dem Messobjekt nur dann dem tatsächlichen Auftreffpunkt, wenn diese Parameter richtig gewählt werden. Diese Tatsache lässt sich nun dazu benutzen, die verbleibenden unbekannten Parameter zu bestimmen. Hierzu bestimmt man, bevorzugt mittels der Verfahrensschritte F.a und F.b, die tatsächliche Position bzw. die tatsächlichen Koordinaten des Messstrahlauftreffpunkts auf dem Messobjekt. Hieraus lassen sich dann diejenigen Werte für die unbekannten Parameter bestimmen, bei denen der errechnete Auftreffpunkt mit dem tatsächlich gemessenen Auftreffpunkt übereinstimmt, welche dann den tatsächlichen Werten der zuvor unbekannten Parameter entsprechen. Diese tatsächlichen Parameterwerte lassen sich dann dazu benutzen, die räumliche Relation zwischen dem Strahlverlauf des Messstrahls und der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit auch in dieser Situation in einen räumlichen Bezug zu überführen. Dadurch kann man wie zuvor beschrieben aus dem nun vorhandenen räumlichen Bezug sowie der aus Verfahrensschritt D bekannten räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit relativ zum Messobjekt den räumlichen Strahlverlauf des Messstrahls relativ zum Messobjekt bestimmen.

Es ist hierbei zu beachten, dass die eindeutige Bestimmung der unbekannten Parameter mit Hilfe dieser Vorgehensweise bevorzugt dann gut funktioniert, wenn zu dem tatsächlich gemessenen Messstrahlauftreffpunkt auf dem Objekt auch nur ein einziger realistischer Parametersatz gehört, der rechnerisch den gleichen Auftreffpunkt ergibt. Da die Messstrahlauftreffpunkte typischerweise einen zweidimensionalen Raum aufspannen, abgebildet durch die zwei Dimensionen der Bilder der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit, ist diese Situation im Regelfall gegeben, wenn die unbekannten Parameter ein oder zwei linear unabhängige Parameter wie z. B. unabhängige Winkel, unabhängige Linearverschiebungen oder unabhängige Kombinationen hieraus sind. Es sind aber auch durchaus Situationen denkbar, bei denen sich mit der beschriebenen Vorgehensweise auch mehr als zwei unbekannte Parameter bestimmen lassen, nämlich dann, wenn auch bei dieser Mehrzahl von Parametern zu jedem tatsächlich gemessenen Messstrahlauftreffpunkt auf dem Objekt ebenfalls nur ein einziger realistischer Parametersatz gehört, der rechnerisch den gleichen Auftreffpunkt ergibt. Das kann beispielsweise der Fall sein, wenn es mehrere rastende Grobversteller und mehrere kontinuierliche Feinversteller gibt, so dass zum Erreichen jedes Messpunkts nur eine einzige Kombination aus Grobversteller- und Feinversteller-Stellungen möglich ist. Auch viele andere Situationen bei denen die beschriebene Vorgehensweise dazu geeignet ist, mehr als zwei unbekannte Parameter zu bestimmen, sind vorstellbar.

Bei der eigentlichen Bestimmung derjenigen Parameter, bei denen der zugehörige berechnete Auftreffpunkt dem real gemessenen Auftreffpunkt entspricht, ist das korrespondierende mathematische Problem zu lösen, eine Anzahl von Parametern, bevorzugt einen oder zwei, so zu bestimmen, dass eine ausschließlich von diesen Parametern abhängige Funktion einen bestimmten Zielwert erreicht. Hierfür gibt es eine große Zahl einschlägig bekannter mathematischer, bevorzugt numerischer Verfahren, die im Prinzip alle herangezogen werden können. Besonders vorteilhaft erweist es sich im konkreten Fall, beispielsweise das Distanzquadrat zwischen dem tatsächlich gemessenen Auftreffpunkt und dem zu den vorgegebenen Parametern gehörigen berechneten Auftreffpunkt als Bewertungskriterium für die Güte der Parameterwerte heranzuziehen und die Parameterwerte so zu optimieren, dass das Distanzquadrat möglichst klein, idealerweise Null wird. Hierfür kann beispielsweise ein Gradientenverfahren oder jegliche andere Minimierungsmethode herangezogen werden.

Als Ergebnis erhält man in jedem Fall die tatsächlichen Werte für die gesuchten Parameter, mit denen wie zuvor beschrieben der räumliche Strahlverlauf des Messstrahls relativ zum Messobjekt bestimmt werden kann.

Mittels des Verfahrens wird bevorzugt eine interferometrische Messung an dem Messobjekt, insbesondere eine Messung zur Ermittlung von Schwingungsdaten durchgeführt, und die interferometrische Messung wird unter Berücksichtigung des Messstrahlverlaufs ausgewertet.

Wie zuvor beschrieben ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung bevorzugt als Vibrometer zur Durchführung einer Schwingungsmessung mittels des Messstrahls ausgebildet.

Der Messstrahl wird auf einen Messpunkt auf dem Messobjekt gerichtet und der von dem Messobjekt reflektierte und/oder gestreute Messstrahl durchläuft den Strahlengang der Messvorrichtung wieder, um mit dem Referenzstrahl zur Ausbildung einer optischen Interferenz überlagert zu werden. Die Messvorrichtung weist hierzu bevorzugt zumindest einen Detektor auf, um das Interferenzsignal zu detektieren. Aus dem Interferenzsignal können die gewünschten Messdaten, insbesondere Schwingungsdaten und/oder eine Geschwindigkeit der Bewegung der Oberfläche des Objekts am Messpunkt ermittelt werden. Hierzu wird bevorzugt die zuvor genannte Auswerteeinheit verwendet. Die Messvorrichtung kann im Grundaufbau in an sich bekannter Weise eines Interferometers, insbesondere eines Vibrometers wie zuvor beschrieben, bevorzugt eines heterodynen Vibrometers, ausgebildet sein.

Für manche Anwendungen von interferometrischen Messungen ist es wünschenswert, einen mittels üblicher Bildaufnahmeeinheiten nicht oder nur mit unzureichender Genauigkeit erfassbaren Messstrahl zu verwenden. Insbesondere sind Vibrometer bekannt, welche Laserstrahlen im Infrarotbereich verwenden, insbesondere bei einer Wellenlänge von 1550 nm.

Nachteilig ist hierbei, dass der Benutzer keine oder nur eine unzureichende optische Kontrolle über den jeweils beaufschlagten Messpunkt besitzt und ein automatisiertes Auffinden eines Auftreffpunktes nur mit zusätzlichem technischem Aufwand möglich ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird daher ein zusätzlicher Hilfsstrahl einer Hilfsstrahlquelle verwendet. Dieser wird derart in den Strahlengang des Messstrahls eingekoppelt, dass der Hilfsstrahl auf den gleichen Ortspunkt des Messobjekts auftrifft wie der Messstrahl.

Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, einen oder mehrere Hilfsstrahlen zu verwenden, deren Strahlverlauf in einem vorgegebenen räumlichen Bezug zu dem Messstrahl besteht und deren Strahlverlauf zumindest im Bereich des Messobjekts nicht identisch zu dem Strahlverlauf des Messstrahls ist.

Grundsätzlich liegt es im Rahmen der Erfindung, bei Verwendung von Auftreffpunkten auf der Messoberfläche Auftreffpunkte von einem oder mehreren Messstrahlen und/oder Auftreffpunkte von einen oder mehreren Hilfsstrahlen zu verwenden:

So liegt es im Rahmen der Erfindung, einen Hilfsstrahl einer Hilfsstrahlquelle zu verwenden, dessen Strahlengang zumindest im Bereich des Messobjekts koaxial zu dem Messstrahl ist, sodass der Hilfsstrahl auf denselben Ortspunkt auf der Messoberfläche auftrifft wie der Messstrahl. Zwar wird bei einer Vielzahl von interferometrischen Messungen ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich verwendet, welcher in unaufwendiger Weise mit typischen Bildaufnahmeeinheiten erfasst werden kann. Ebenso liegt es jedoch im Rahmen der Erfindung, einen mittels einer zusätzlichen Hilfsstrahlquelle erzeugten Hilfsstrahl zur Bestimmung des Strahlverlaufs zu verwenden:

In den zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen, in welchen ein oder mehrere Hilfsstrahlen verwendet werden, ist es ebenfalls vorteilhaft, mittels einer oder mehrerer Laserquellen erzeugte Laserstrahlen als Hilfsstrahlen zu verwenden.

Ebenso liegt die Verwendung anderer Strahlquellen zum Erzeugen von Hilfsstrahlen im Rahmen der Erfindung, insbesondere auch Lichtstrahlen aus LEDs oder anderen Lichtquellen, die beispielsweise als Positionslaser, Linienlaser, Fadenkreuzlaser, Linienprojektoren, Fadenkreuzprojektoren oder andere Mustergeneratoren mit Abbildungseinheit etc. ausgeprägt sind.

Die Messoberfläche kann eine Teilfläche der Oberfläche eines Messgegenstandes sein. Ebenso können die ortsaufgelösten Bilder zusätzlich den Umgebungsbereich des Messgegenstands umfassen, beispielsweise eine Aufstellfläche für den Messgegenstand und/oder eine Hintergrundfläche. Das Messobjekt kann somit auch einen oder mehrere Messgegenstände und eine oder mehrere Flächen, insbesondere Aufstellflächen oder Hintergrundflächen umfassen. Die Messoberfläche kann somit auch Flächen umfassen, die nicht Oberfläche eines Messgegenstandes sind.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass ein oder mehrere Messpunkte auf einer Fläche angeordnet sind, die nicht Oberfläche eines Messgegenstandes ist, beispielsweise auf einer Hintergrund- oder Aufstellfläche. Bevorzugt umfasst die Messoberfläche zumindest den Bereich des oder der Messgegenstände, in welchem bei einer späteren interferometrischen Messung Messpunkte angeordnet werden sollen.

Das Koordinatensystem des Messobjekt-Modells und etwaiger weiterer Modelle, insbesondere eines Messvorrichtung-Modells kann in an sich üblicher Weise gewählt werden. Insbesondere ist die Verwendung eines kartesischen Koordinatensystems vorteilhaft, ebenso liegt jedoch auch die Verwendung anderer Koordinatensysteme im Rahmen der Erfindung, beispielsweise Zylinderkoordinaten oder Kugelkoordinaten.

Das Messobjekt-Modell und/oder das Messvorrichtung-Modell können in der an sich aus der Photogrammetrie zur Erfassung der Form von dreidimensionalen Objekten bekannten Art ausgebildet sein. Insbesondere liegt es im Rahmen der Erfindung, in Verfahrensschritt B ein dreidimensionales Modell zu erstellen, welches eine Punktwolke, bevorzugt ein Polygonnetz, insbesondere ein unregelmäßiges Dreiecksnetz, aufweist. Wie zuvor beschrieben umfasst das dreidimensionale Modell weiter bevorzugt Texturinformationen des Objekts, insbesondere ein oder mehrere ortsaufgelöste Bilder des Aussehens der Messoberfläche und weiter bevorzugt für jeden Punkt der Oberfläche mit 3D-Koordinaten zusätzlich die zugehörigen Bildpunkt-Koordinaten in den ortsaufgelösten Bildern der Messoberfläche (sogenannte Textur-Koordinaten).

Das dreidimensionale Modell umfasst daher bevorzugt eine Liste von Punkten der Oberfläche des Objekts mit jeweils 3D-Koordinaten und Textur-Koordinaten sowie eine Liste von Dreiecken welche die Oberfläche des Messobjekts annähern, bei denen die Eckpunkte Bestandteile der Liste der Punkte sind und die TexturInformation der Oberfläche mit Hilfe der Dreiecke, bevorzugt durch Projektion auf die Dreiecke, dargestellt wird.

„Vorgegeben“ oder „bereitgestellt“ in Bezug auf Daten bedeutet im Sinne dieser Anmeldung, dass die entsprechende Information vorhanden ist und verwendet werden kann, beispielsweise auf einem Datenspeicher gespeichert ist und mittels einer entsprechenden Leseeinheit zur weiteren Verarbeitung der Information ausgelesen werden kann. Ebenso kann eine vorgegebene Information aus weiteren beschriebenen Verfahrensschritten folgen und als Ergebnis dieser Verfahrensschritte vorgegeben sein, insbesondere durch bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens, welche solche Verfahrensschritte enthalten.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die vorangehend beschriebenen Verfahrensschritte in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden und/oder Verfahrensschritte kombiniert werden und/oder ein Verfahrensschritt in einen anderen Verfahrensschritt integriert wird.

Weitere bevorzugte Merkmale und vorteilhafte Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren beschrieben. Dabei zeigt:

  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit einem Messkopf;
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit vier Messköpfen;
  • 3 den Messkopf des ersten Ausführungsbeispiels mit einem Messkopf-Abgleichmodell;
  • 4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit einer Strahlrichteinheit;
  • 5 Ausführungsbeispiele für Bildaufnahmeeinheiten;
  • 6 Ansicht des Messobjekts und eines ortsaufgelösten Bildes zur Erläuterung der Bestimmung der Position und Ausrichtung einer Bildaufnahmeeinheit und
  • 7 Ansichten des Messobjekts und eines ortsaufgelösten Bildes zur Erläuterung der Bestimmung der 3D-Koordinaten zu einem Bildpunkt des ortsaufgelösten Bildes.

Die Figuren zeigen schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellungen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente.

In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur interferometrischen Vermessung eines Messobjekts dargestellt. Die Messvorrichtung umfasst einen Messkopf 1, welcher als Vibrometer ausgebildet ist. Das Vibrometer umfasst ein Gehäuse mit einem in etwa quaderförmigen hinteren und einem in etwa zylindrischen vorderen Bereich (2,3).

Innerhalb des Gehäuses sind Komponenten des Vibrometers angeordnet: Das Vibrometer umfasst vorliegend eine als Laser ausgebildete Strahlquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls als Messstrahl. An einer Laserstrahlaustrittsöffnung 4 tritt der Messstrahl an einem Laseraustrittspunkt 5 aus dem Messkopf 1 aus. Der Messstrahl 6 weist somit die gestrichelt dargestellte Messstrahlausbreitungsrichtung 7 auf.

Die Messstrahlausbreitungsrichtung 7 liegt auf der optischen Achse des in etwa zylindrischen vorderen Teils 3 des Messkopfes.

Der Messstrahl 6 trifft auf einen Messpunkt der Messoberfläche eines Messgegenstandes 8a des Messobjekts 8. Der teilweise reflektierte und/oder gestreute Messstrahl tritt über die Laserstrahlaustrittsöffnung 4 wieder in den Messkopf 1 ein. Der als Vibrometer ausgebildete Messkopf 1 ist als interferometrische Messvorrichtung ausgebildet und weist vorliegend einen interferometrischen Aufbau derart auf, dass der mittels des Lasers erzeugte Laserstrahl in den vorbenannten Messstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt wird. Der Messkopf umfasst weiterhin einen Detektor und ist derart ausgebildet, dass der vorgenannte reflektierte und/oder gestreute Messstrahl mit dem Referenzstrahl auf den Detektor zum Ausbilden einer optischen Interferenz überlagert wird. Die Messsignale des Detektors werden am hinteren Ende des zylindrischen Teils 2 des Messkopfes über eine Signalleitung zu einer Auswerteeinheit 9 geführt. Die Auswerteeinheit 9 umfasst eine Rechnereinheit, die in an sich bekannter Weise umfassend einen Prozessor und eine Speichereinheit ausgebildet ist, um aus den Messdaten des Detektors Schwingungsdaten zu bestimmen.

Die Messvorrichtung gemäß 1 wird verwendet, um eine Schwingungsmessung an einem Messobjekt 8 durchzuführen. Das Messobjekt 8 weist einen schematisch als Quader dargestellten Messgegenstand 8a auf.

Der Messkopf 1 ist mit einer Auswerteeinheit 9 verbunden, um die Messsignale des im Messkopf 1 angeordneten Detektors der Messvorrichtung zur interferometrischen Vermessung zur Bestimmung von Schwingungsdaten des Messgegenstandes 8a am Ort des Auftreffpunktes des Messstrahls 6 auszuwerten und die Schwingungsamplituden und -phasen der zu untersuchenden Schwingung zu bestimmen.

Die Auswerteeinheit 9 ist weiterhin ausgebildet, den Strahlverlauf des Messstrahls 6 zu bestimmen, wie nachfolgend an einem ersten Ausführungsbeispiel eines Verfahrens beschrieben. Wie eingangs erwähnt, ist die Messvorrichtung bevorzugt zur Durchführung dieses Ausführungsbeispiels eines Verfahrens und/oder der weiterhin beschriebenen Ausführungsbeispiele eines Verfahrens ausgebildet.

Die Messvorrichtung weist weiterhin eine erste, bewegliche Bildaufnahmeeinheit 10 und eine Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 auf. Beide Bildaufnahmeeinheiten sind zur Aufnahme ortsaufgelöster Bilder ausgebildet, sie können insbesondere CCD-oder CMOS- Kameras umfassen. Die erste Bildaufnahmeeinheit 10 ist relativ zu dem Messobjekt 8 und Messkopf 1 beweglich. Die Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 ist ortsfest relativ zum Messkopf 1 angeordnet.

In einem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens erfolgt in einem Verfahrensschritt A ein Aufnehmen einer Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern des Messgegenstandes 8a mittels der ersten Bildaufnahmeeinheit 10. Hierzu bewegt ein Benutzer die bewegliche erste Bildaufnahmeeinheit 10 um den Messgegenstand 8a, während automatisch eine Vielzahl von ortsaufgelösten Bildern aufgenommen wird.

Die erste Bildaufnahmeeinheit 10 ist zur Durchführung einer Streifenprojektion ausgebildet und weist daher eine Kamera zum Erfassen ortsaufgelöster Bilder sowie eine Projektionseinheit zum Projizieren von Streifenmustern auf. Die erste Bildaufnahmeeinheit 10 ist mittels eines Kabels oder alternativ drahtlos mit der Auswerteeinheit 9 verbunden. Die Auswerteeinheit 9 übernimmt somit ebenfalls die Speicherung und Verarbeitung der Daten der ersten Bildaufnahmeeinheit 10, ebenso der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11.

Wie zuvor beschrieben, erzeugt die erste Bildaufnahmeeinheit 10 während der Aufnahme der Mehrzahl von ortsaufgelösten Bildern Streifenmuster nach dem Prinzip der Streifenprojektion, sodass in an sich bekannter Weise photogrammetrisch mittels der Auswerteeinheit 9 in einem Verfahrensschritt B ein dreidimensionales Modell erstellt wird, welches zumindest die dem Messkopf 1 zugewandte Fläche des Messgegenstandes 8a umfasst. Das dreidimensionale Modell weist ein Polygonnetz aus Dreiecken auf, welches die geometrische Form dieses Bereichs wiedergibt. Alternativ ist die erste Bildaufnahmeeinheit 10 als handelsübliche Kamera oder eine Kombination aus einer Beleuchtungseinheit und einer oder mehrerer Kameras ausgebildet. Sowohl Schwarzweiß- als auch Farbkameras sind verwendbar. Besonders bevorzugt nimmt die Bildaufnahmeeinheit neben der Information, die zur Bestimmung der Geometrie der Messoberfläche notwendig ist, auch Informationen bezüglich der Textur und/oder Farbe der Oberfläche auf, insbesondere bevorzugt, indem sie beispielsweise eine Farbkamera umfasst. Die Aufnahme von Textur- und/oder Farbinformationen und ihre räumliche Zuordnung zu den aufgenommenen Bildern bzw. dem topografischen 3D-Modell des Objekts ist besonders vorteilhaft, weil sich wie zuvor beschrieben hierdurch die verschiedenen aufgenommenen Bilder einander deutlich besser zuordnen lassen und sich der Aufnahmeort des jeweiligen Kamerabildes relativ zum 3D-Modell ebenfalls deutlich exakter zuordnen lässt.

Die Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 ist wie zuvor beschrieben am Messkopf 1 angeordnet und somit bereitgestellt. Mittels der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 erfolgt ein Aufnehmen eines ortsaufgelösten Strahllage-Bestimmungsbildes der Messoberfläche des Messobjekts 8 in einem Verfahrensschritt C.

In einem Verfahrensschritt D erfolgt ein Bestimmen der räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 relativ zum Messobjekt 8 mithilfe des in Verfahrensschritt C aufgenommenen Strahllage-Bestimmungsbildes in Kombination mit dem dreidimensionalen Messobjekt-Modell.

Hierzu werden projizierte Ansichten eines Geometriemodells des Messobjekt-Modells mit dem Strahllage-Bestimmungsbild verglichen. Durch eine Anpassung und unter Verwendung von identifizierten Merkmalen und der Textur des Messobjekt-Modells wird die Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 so bestimmt, dass die projizierte Ansicht mit dem Strahllage-Bestimmungsbild übereinstimmt oder zumindest die beste Übereinstimmung der projizierten Ansichten aufweist.

Hierdurch ist somit im Koordinatensystem des Messobjekt-Modells, vorliegend ein kartesisches x-, y-, z-Koordinatensystem, die Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 bekannt.

In einem Verfahrensschritt E erfolgt ein Bereitstellen einer räumlichen Relation zwischen dem räumlichen Strahlverlauf des Messstrahls 6 und der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11. Vorliegend weist die Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 eine optische Achse 12 auf, welche durch den erfassten Bildbereich vorgegeben ist. Die räumliche Relation gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gibt nun vor, dass der Messstrahlverlauf des Messstrahls 6 parallel zu der vorgenannten optischen Achse der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 liegt und darüber hinaus, in welcher räumlichen Relation die beiden optischen Achsen zueinander liegen, das heißt, es ist der Abstand vorgegeben sowie die Richtung, in welcher die optische Achse des Messstrahls 6 von der optischen Achse der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 beabstandet ist.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel stellt die räumliche Relation somit einen räumlichen Bezug dar, bei welchem keine weiteren Parameter bestimmt werden müssen.

Aus den Verfahrensschritten B und E ist nun einerseits in einem ersten Schritt bekannt, an welchem Ort und in welcher Ausrichtung sich die Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 im Koordinatensystem des Messobjekt-Modells befindet. Weiterhin ist in einem zweiten Schritt der räumliche Bezug zwischen der optischen Achse der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 und der optischen Achse des Messstrahls 6 vorgegeben. Es kann somit in einfacher Weise in einem Verfahrensschritt F der räumliche Strahlverlauf des Messstrahls 6 der interferometrischen Messvorrichtung relativ zum Messobjekt 8 im Koordinatensystem des Messobjekt-Modells abhängig von der im Verfahrensschritt E bereitgestellten Relation und der räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit relativ zum Messobjekt bestimmt werden.

In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung dargestellt, welche eine Mehrzahl von Messköpfen aufweist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird lediglich auf die wesentlichen Unterschiede im Vergleich zu 1 eingegangen.

Die Messvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist eine Haltevorrichtung 13 auf, an welcher vier Messköpfe 1, 1a, 1b und 1c angeordnet sind. Die Messköpfe beinhalten jeweils das Vibrometer, insbesondere jedoch die Laserstrahlaustrittsöffnung und eine Optik zur Aufnahme des rückgestreuten Lichts. Sie sind alle mit einer gemeinsamen (nicht dargestellten) Auswerteeinheit gemäß Auswerteeinheit 9 der 1 verbunden.

Die Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 der Messvorrichtung ist ebenfalls an der Haltevorrichtung 13 angeordnet.

In einer ersten Variante des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung sind die vier Messköpfe fest an der Haltevorrichtung 13 angebracht, und der genaue Strahlverlauf der jeweiligen Messstrahlen relativ zur Strahllage-Bildaufnahmeeinheit ist bekannt, z. B. aufgrund von Fertigungsvorgaben.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens erfolgt nun die Bestimmung des Strahlverlaufs jedes Messstrahls der Messköpfe 1, 1a, 1b und 1c wie zu 1 und dem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens beschrieben. Hierbei müssen jedoch die Schritte A, B, C und D lediglich einmal durchgeführt werden.

Für jeden Messkopf erfolgt in einem Verfahrensschritt E ein Bereitstellen einer räumlichen Relation, die vorliegend als räumlicher Bezug ausgebildet ist, sodass für jeden Messkopf der räumliche Strahlverlauf des jeweiligen Messstrahls direkt bestimmt werden kann.

In einer zweiten Variante des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung können die Messköpfe der Messvorrichtung gemäß 2 auf ortsverschiedene Messpunkte auf dem Messgegenstand 8a gerichtet werden, um gleichzeitig eine Messung an verschiedenen Messpunkten durchzuführen. Ebenso können die Messstrahlen auf einen identischen Messpunkt auf des Messgegenstands 8a gerichtet sein, um eine Schwingung in mehreren Raumrichtungen zu messen.

Beispielsweise sind die Messköpfe jeweils manuell durch den Benutzer um eine erste Achse A und um eine senkrecht hierzu stehende zweite Achse B schwenkbar. Der Benutzer kann somit den Messpunkt jedes Messkopfes auf dem Messgegenstand 8a durch Verschwenken des jeweiligen Messkopfes auswählen und anschließend den Messkopf arretieren.

In einer ersten Untervariante dieser Ausführungsbeispielvariante sind an jedem Messkopf zwei Winkeldetektoren angebracht, um für jeden Messkopf eine Winkelposition bezüglich Achse A und eine Winkelposition bezüglich Achse B zu messen. Alle acht Winkeldetektoren sind ebenfalls mit der Auswerteinheit 9 verbunden. Die Auswerteeinheit 9 ist dazu ausgebildet, aus den Messsignalen der Winkeldetektoren die entsprechenden Winkel zu berechnen. Mittels der Auswerteeinheit kann somit durch Verwenden der aus den Winkeldetektor-Messdaten berechneten Winkel für jeden Messkopf die jeweils für ihn vorgegebene räumliche Relation in einen räumlichen Bezug zwischen dem Strahlverlauf des Messstrahls 6 und der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 überführt werden, und es müssen keine weiteren Parameter in oder für Verfahrensschritt F bestimmt werden.

Es kann somit wieder in einfacher Weise im Verfahrensschritt F der räumliche Strahlverlauf des Messstrahls 6 der interferometrischen Messvorrichtung relativ zum Messobjekt 8 im Koordinatensystem des Messobjekts abhängig von der im Verfahrensschritt E bereitgestellten Relation und der räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit relativ zum Messobjekt bestimmt werden.

Ein drittes Ausführungsbeispiel des Verfahrens geht nun von einer zweiten Untervariante der vorausgegangenen Ausführungsbeispielvariante der erfindungsgemäßen Messvorrichtung gemäß 2 aus, bei der es zwar genauso wie bei der ersten Untervariante dieser Ausführungsbeispielvariante Verstellmöglichkeiten für die einzelnen Messköpfe gibt, aber bei der nun keine direkten Messmöglichkeiten zur Bestimmung der Ausrichtung der geschwenkten Messköpfe vorhanden sind.

Hier kann in Verfahrensschritt E für jeden Messkopf lediglich eine räumliche Relation zwischen dem räumlichen Strahlverlauf des jeweiligen Messstrahls und der Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit bereitgestellt werden, zunächst jedoch anders als in der vorangegangenen Untervariante kein räumlicher Bezug. Dies bedeutet vorliegend, dass die Relation jeweils als Funktion abhängig von zwei Winkeln vorgegeben ist. Bei Kenntnis dieser beiden Winkel, welche die Winkelpositionen des jeweiligen Messkopfes bezüglich Achse A und bezüglich Achse B beschreiben, kann die vorgegebene Relation wieder in einen räumlichen Bezug überführt werden, sodass mit diesem räumlichen Bezug wieder wie zuvor weiter verfahren werden kann. Allerdings liegen im vorliegenden Ausführungsbeispiel abweichend vom vorausgegangenen Ausführungsbeispiel nun keine direkten Messmöglichkeiten zur Bestimmung der genauen Ausrichtung der geschwenkten Messköpfe vor, Dennoch ist es mit Hilfe des Verfahrens möglich, den räumlichen Strahlverlauf der Messstrahlen relativ zum Messobjekt anzugeben:

Hierzu ist es zuerst notwendig, für jeden Messkopf die bekannte räumliche Relation zwischen dem jeweiligen Messstrahl und der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit in einen räumlichen Bezug zu überführen, indem jeweils die beiden zunächst unbekannten Parameter, nämlich die beiden Schwenkwinkel des jeweiligen Messstrahls ermittelt werden.

Nun lässt sich mit Hilfe der bekannten räumlichen Relation und der in Verfahrensschritt D bestimmten räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 relativ zum Messobjekt 8 für alle prinzipiell einstellbaren Schwenkwinkel des jeweiligen Messkopfs der räumliche Strahlverlauf des zugehörigen Messstrahls relativ zum Messobjekt berechnen. Genauso lässt dann auch der korrespondierende Auftreffpunkt des jeweiligen Messstrahls auf dem Messobjekt bestimmen. Da die beiden Schwenkwinkel jeweils räumlich voneinander unabhängig sind, gehört für jeden Messkopf zu jedem unterschiedlichen Paar an möglichen Schwenkwinkeln auch ein unterschiedlicher Auftreffpunkt auf dem Messobjekt. Dies lässt sich nun leicht dazu nutzen, durch Bestimmung der Koordinaten des tatsächlichen Auftreffpunkts des jeweiligen Messstrahls auf dem Messobjekt umgekehrt die zugehörigen Schwenkwinkel zu bestimmen:

Dazu werden zunächst die Ortskoordinaten des Auftreffpunktes des jeweiligen Messstrahls auf das Messobjekt 8 im Messobjekt-Modell bestimmt: Hierzu wird wie zuvor beschrieben, mittels der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 ein ortsaufgelöstes Bild des Messgegenstandes 8a aufgenommen, während der Messstrahl auf den gewünschten Messpunkt auftrifft. Wie zuvor beschrieben können basierend auf diesem ortsaufgelösten Bild sowie aus der in Verfahrensschritt D bestimmten räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 im Koordinatensystem des Messobjekt-Modells die Ortskoordinaten des Auftreffpunktes des Messstrahls 6 auf den Messgegenstand 8a im Messobjekt-Modell bestimmt werden. Gegebenenfalls werden hierzu die einzelnen Messstrahlen nacheinander an- und ausgeschaltet, so dass mittels mehrerer Aufnahmen der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit eine sehr einfache Zuordnung der Messstrahlauftreffpunkte zu den zugehörigen Messköpfen erfolgen kann.

Nun müssen nur noch diejenigen Schwenkwinkel des Messstrahls bestimmt werden, bei denen der zugehörige berechnete Auftreffpunkt dem real gemessenen Auftreffpunkt entspricht. Für das korrespondierende mathematische Problem, zwei Parameter so zu bestimmen, dass eine ausschließlich von diesen beiden Parametern abhängige Funktion einen bestimmten Zielwert erreicht, gibt es eine große Zahl einschlägig bekannter Verfahren. Besonders vorteilhaft erweist es sich im konkreten Fall, beispielsweise das Distanzquadrat zwischen dem tatsächlich gemessenen Auftreffpunkt und dem zu zwei vorgegebenen Schwenkwinkeln gehörigen berechneten Auftreffpunkt als Bewertungskriterium für die Güte eben diese beiden Schwenkwinkel-Werte heranzuziehen und die Schwenknkwinkel-Werte so zu optimieren, dass das Distanzquadrat möglichst klein, idealerweise Null wird. Hierfür wird vorliegend ein Gradientenverfahren herangezogen.

Als Ergebnis erhält man die tatsächlichen Schwenkwinkel aller Messstrahlen, mit denen wie zuvor beschrieben der räumliche Strahlverlauf der Messstrahlen relativ zum Messobjekt bestimmt wird.

In einem vierten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Bereitstellen der räumlichen Relation gemäß Verfahrensschritt E durch die Verwendung eines Messvorrichtung-Modells, sodass ebenfalls nicht auf Messdaten von Winkeldetektoren zurückgegriffen werden muss und somit eine Messvorrichtung, welche dieses Ausführungsbeispiel des Verfahrens anwendet, auch keine Detektoren zur Detektion der Orts- oder Schwenkposition der Messköpfe benötigt:

Im vierten Ausführungsbeispiel eines Verfahrens wird in Verfahrensschritt E ein Messvorrichtung-Modell bereitgestellt.

Weiterhin wird ein Abgleichmodell des Messkopfes vorgegeben, wie zu Figur 3 näher erläutert:

In 3 ist nochmals der Messkopf 1 dargestellt, dessen Gehäuse einen quaderförmigen Teil 2 und einen zylindrischen Teil 3 aufweist.

An einer Vorderseite des Messkopfes befindet sich eine Laserstrahlaustrittsöffnung 4 mit einem Laseraustrittspunkt 5, an welchem der Messstrahl 6 den Messkopf 1 in Messstrahlausbreitungsrichtung 7 verlässt. Die Laserstrahlaustrittsöffnung 4 ist als Kreisring ausgebildet. Der Laseraustrittspunkt 5 liegt mittig in der Laserstrahlaustrittsöffnung 4.

Oberhalb des Messkopfes 1 ist in 3 das Abgleichmodell 1' für diesen Messkopf dargestellt. Dieses Abgleichmodell 1' ist als Linienmodell ausgebildet und weist gemäß den gestrichelt dargestellten Linien einen Quader und einen Zylinder auf, die näherungsweise dem quaderförmigen Teil 2 und zylindrischen Teil 3 des Messkopfes 1 entsprechen.

Das Abgleichmodell 1' umfasst somit das gestrichelt dargestellte Linienmodell sowie die Information, dass an der Vorderseite des Zylinders mittig der Laseraustrittspunkt 5 angeordnet ist. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist alternativ oder zusätzlich die Messstrahlausbreitungsrichtung 7 im Abgleichmodell 1' vorgegeben.

In Verfahrensschritt E erfolgt in diesem vierten Ausführungsbeispiel in einem Verfahrensschritt Ei ein Aufnehmen einer Mehrzahl von ortsaufgelöster Messvorrichtungs-Bilder, welche vorliegend die Messköpfe 1, 1a, 1b und 1c, die Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 und die Haltevorrichtung 13 insgesamt umfassen. Die Messvorrichtungs-Bilder werden aus unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen. In einem Verfahrensschritt Eii erfolgt ein Erstellen eines Messvorrichtung-Modells, mittels der Mehrzahl von ortsaufgelösten Messvorrichtungs-Bildern. Die Aufnahme der Messvorrichtungs-Bilder erfolgt mittels der ersten Bildaufnahmeeinheit 10. Das Erstellen des Messvorrichtung-Modells erfolgt analog zu Verfahrensschritt B photogrammetrisch.

Es liegt somit ein Messvorrichtung-Modell vor, mit welchem das Abgleichmodell 1' abgeglichen werden kann: Durch „Anfitten“ des Abgleichmodells 1' an das Messvorrichtung-Modell, d.h. Durchführen des Abgleichs wie zuvor beschrieben, wird für jeden Messkopf jeweils die Position des Laseraustrittspunktes 5, an welchem der jeweilige Messstrahl den Messkopf verlässt, bestimmt.

Weiterhin ist ein (nicht dargestelltes) Abgleichmodell 1' für die Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 vorgegeben, sodass in gleicher Weise auch die Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit im Messvorrichtung-Modell bestimmt wird.

Es liegen somit im Koordinatensystem des Messvorrichtung-Modells Informationen über die Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 sowie über den Laseraustrittspunkt 5 jedes Messkopfes vor.

Wie bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen des Verfahrens erläutert, erfolgt auch beim vierten Ausführungsbeispiel ein Durchführen des Verfahrensschrittes D mit Bestimmen der räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit im Koordinatensystem des Messobjekt-Modells.

In diesem Verfahrensstadium ist somit die Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 im Koordinatensystem des Messobjekt-Modells bekannt. Weiterhin ist im Koordinatensystem des Messvorrichtung-Modells die Position jedes Laseraustrittspunktes 5 der Messköpfe bekannt. Es kann somit durch einfache Koordinatentransformation ebenso die Position jedes Laseraustrittspunktes 5 im Koordinatensystem des Messobjekt-Modells berechnet werden.

In diesem Verfahrensstadium liegt somit im Koordinatensystem des Messobjekt-Modells für jeden Messstrahl ein Ortspunkt auf diesem Messstrahl vor, nämlich der jeweilige Laseraustrittspunkt.

Es wird somit ein Verfahrensschritt Fi wie zuvor beschrieben durchgeführt.

Weiterhin erfolgt die Durchführung eines Verfahrensschrittes Fiii, wobei jeweils die Koordinaten eines Auftreffpunkts eines Messstrahls bestimmt werden: Es wird zunächst lediglich Messkopf 1 angeschaltet, sodass lediglich der Messstrahl des Messkopfes 1 auf den Messgegenstand 8a auftrifft. Anschließend wird ein ortsaufgelöstes Bild mittels der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 aufgenommen und wie zuvor beschrieben die Ortskoordinaten des Auftreffpunktes des Messstrahls des Messkopfs 1 im Koordinatensystem des Messobjekt-Modells berechnet.

Diese Schritte werden ebenfalls für die Messköpfe 1a, 1b und 1c durchgeführt, sodass im Ergebnis für jeden Messkopf jeweils zwei Ortspunkte auf dem Messstrahl bekannt sind: Der Laseraustrittspunkt am Messkopf und der Messstrahlauftreffpunkt am Messgegenstand 8a.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist umfasst das Messkopf-Abgleichmodell 1' zusätzlich die Information, dass die Messstrahlausbreitungsrichtung parallel zu der Zylinderachse des zylindrischen Teils des Messkopf-Abgleichmodells 1' ist. Es kann somit durch einfache Koordinatentransformation die Messstrahlausbreitungsrichtung im Messobjekt-Modell berechnet und somit Verfahrensschritt Fii durchgeführt werden, so dass eine Durchführung von Verfahrensschritt Fiii nicht notwendig ist.

Für jeden Messstrahl wird basierend auf den beiden vorgenannten Ortspunkten der räumliche Strahlverlauf bestimmt.

Alternativ können alle Messköpfe gleichzeitig eingeschaltet und wie vorhergehend beschrieben über ein oder mehrere ortsaufgelöste Bilder der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit die Ortskoordinaten der Auftreffpunkte bestimmt werden. Ebenfalls wie vorhergehend beschrieben wird dann ein Messvorrichtung-Modell verwendet und wie beschrieben über „Anfitten“ des Abgleichmodells die Lage und Ausrichtung der Messköpfe bestimmt. Hieraus wird dann für jeden Kopf der Richtungsvektor des Lasers bestimmt und der Schnittpunkt mit der Messoberfläche extrapoliert.

Anhand des Abstandes auf der Oberfläche werden die aus den ortsaufgelösten Bildern bestimmten Auftreffpunkte den extrapolierten Auftreffpunkten zugeordnet, so dass letztendlich die auf den ortsaufgelösten Bildern der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit gleichzeitig sichtbaren Laserstrahlauftreffpunkte dennoch dem jeweils zugehörigen Messkopf zugeordnet werden können.

Für jeden Messstrahl wird dann der Laserstrahlverlauf durch einen durch den Laservektor bestimmten Punkt und den Auftreffpunkt bestimmt.

In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung gezeigt:

Der Messkopf 1 dieses Ausführungsbeispiels weist ein Vibrometer 15 und eine als Ablenkeinheit ausgebildete Strahlrichteinheit 14 auf.

Das Vibrometer 1 weist auch in diesem Ausführungsbeispiel einen (nicht dargestellten) Strahlteiler auf, um den Laserstrahl an der Laserstrahlquelle des Vibrometers in mindestens eine Mess- und mindestens einen Referenzstrahl aufzuteilen und den Referenzstrahl mit dem von dem Messobjekt 8a (vorliegend ein Automobil) reflektierten und/oder gestreuten Messstrahl auf einem Detektor zur Ausbildung einer optischen Interferenz zu überlagern. Der Laserstrahl in diesem Ausführungsbeispiel weist eine Wellenlänge von 632,8 nm auf.

Das Vibrometer kann wie in DE 10 2012 211 549 B3 beschrieben ausgebildet sein.

Die Strahlrichteinheit 14 ist vorliegend als Ablenkeinheit ausgebildet und weist zwei mittels Galvanometern drehbare Spiegel auf, sodass in an sich bekannter Weise ein Spiegelscanner zur zweidimensionalen Ablenkung ausgebildet wird. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind schematisch zwei Spiegel der Strahlrichteinheit 14 dargestellt.

Der Messstrahl 6 des Vibrometers 15 durchläuft die Strahlrichteinheit 14 und trifft auf eine Messoberfläche des Messobjekts 8. Mittels der Strahlrichteinheit 14 kann der Messstrahl 6 auf einen hinteren Bereich des Autos sowie auf das Auto umgebende Boden- und Wandbereiche gerichtet werden. Das Messobjekt 8 umfasst somit das Auto als Messgegenstand 8a sowie Wand- und Bodenbereiche.

Die Messoberfläche ist vorliegend die durch den Messstrahl 6 beaufschlagbare Fläche und umfasst somit die Oberfläche des Autos in einem hinteren Bereich sowie ebenfalls Wand- und Bodenbereiche.

Ziel der interferometrischen Messung ist, für eine Mehrzahl von Messpunkte auf der Oberfläche des Autos im hinteren Bereich Schwingungsmessungen bei laufendem Motor des Autos durchzuführen.

Die Messvorrichtung weist hierzu vorliegend eine Auswerteeinheit 9 auf, welche mit dem Vibrometer 15 und der Strahlrichteinheit 14 verbunden ist. Mittels der Auswerteeinheit 9 werden Steuerparameter an die Strahlrichteinheit 14 gesendet, um eine gewünschte Spiegelstellung zu erzielen. Ebenso erfolgt mittels der Steuereinheit der Strahlrichteinheit 14 eine Steuerung der Laserstrahlquelle des Vibrometers 15 sowie ein Auswerten der Messsignale des Detektors des Vibrometers 15, um Schwingungsdaten aus der optischen Interferenz zwischen Mess- und Referenzstrahl zu ermitteln. In einem alternativen Ausführungsbeispiel weist die Auswerteeinheit eine Signalverarbeitungseinheit und eine Darstellungs- und Speichereinheit auf. Die Signalverarbeitungseinheit berechnet aus den Messsignalen des Detketors Messwerte, welche von der Darstellungs- und Speichereinheit auf einer Anzeige dargestellt und in einem Speicher abgespeichert werden.

Die Messvorrichtung weist weiterhin eine erste Bildaufnahmeeinheit 10 auf, welche als bewegliche Bildaufnahmeeinheit wie bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen beschrieben ausgebildet ist.

Der Messkopf 1 weist weiterhin die Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 auf. Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11, Vibrometer 15 und Strahlrichteinheit 14 sind in einem gemeinsamen Gehäuse und ortsfest zueinander angeordnet.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden die Verfahrensschritte A bis D wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben durchgeführt. Es liegt somit ein dreidimensionales Messobjekt-Modell vor. Weiterhin ist die räumliche Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 relativ zu dem Messobjekt 8 bestimmt.

Die Strahlrichteinheit 14 wird mittels zweier Parameter gesteuert, welche eine Ablenkung des Strahls in einer ersten Richtung mittels des ersten Parameters und in einer zweiten Richtung mittels des zweiten Parameters beschreiben. Diese beiden Parameter sind im einfachsten Fall des vorliegenden Ausführungsbeispiels die beiden tatsächlich mittels der Galvanometerspiegel eingestellten Ablenkwinkel für den Messstrahl. Aufgrund der bekannten geometrischen Lage aller Komponenten im Messkopf 15, die entweder aus CAD-Daten oder aus Fertigungsdaten des Messkopfes stammen, ist eine räumliche Relation zwischen dem Messstrahl der interferometrischen Messvorrichtung und der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit gegeben. Diese räumliche Relation wird dann und nur dann zu einem räumlichen Bezug, wenn die beiden einzigen unbekannten Parameter des Gesamtsystems, nämlich die beiden zunächst unbekannten Ablenkwinkel des Messstrahls bekannt sind.

In der einfachsten Variante des vorliegenden Ausführungsbeispiels handelt es sich bei dem verwendeten Spiegelscanner um eine kalibrierte Strahlrichteinheit, für die zu einem früheren Zeitpunkt durch Justage oder Messung eine eindeutige Zuordnung zwischen den eingestellten Steuerparametern für die beiden Galvanometerspiegel und den dadurch realisierten Ablenkwinkeln für den Messstrahl bestimmt wurde. Mit dieser Zuordnung lässt sich aufgrund der bekannten geometrischen Lage der Komponenten im Messkopf 15 für alle eingestellten Steuerparameter der Strahlrichteinheit der räumliche Strahlverlauf des Messstrahls relativ zur Strahllage-Bildaufnahmeeinheit bestimmen. Da aus Verfahrensschritt D weiterhin die räumliche Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 relativ zu dem Messobjekt 8 bekannt ist, lässt sich hiermit sofort für beliebige eingestellte Steuerparameter der Strahlrichteinheit der räumliche Strahlverlauf des Messstrahls 6 relativ zum Messobjekt angeben, insbesondere Auftreffpunkt und Auftreffwinkel.

In einer weiteren Variante des vorliegenden Ausführungsbeispiels umfassen die für die Drehung der zur Strahlablenkung verwendeten Spiegel eingesetzten Galvanometer neben ihren Antriebsspulen auch Messspulen, mit denen sich jeweils ihre tatsächlich momentan vorliegende Winkelstellung messen lässt. Aus den erhaltenen Messwerten lassen sich dann die Ablenkwinkel des Messstrahls und daraus folgend der gesamte räumliche Strahlverlauf des Messstrahls bestimmen, zunächst erst relativ zur Strahllage-Bestimmungseinheit, dann aber auch genauso wie bei der vorangehenden Variante des vorliegenden Ausführungsbeispiels relativ zum Messobjekt, ebenso Auftreffpunkt und Auftreffwinkel.

Ein großer Vorteil des Verfahrens zeigt sich in einer dritten Variante des vorliegenden Ausführungsbeispiels, bei der weder die eingesetzte Strahlrichteinheit kalibriert sein muss noch Messmöglichkeiten zur Bestimmung der Drehwinkel der Galvanometerspiegel vorliegen müssen. Dennoch ist es mit Hilfe des Verfahrens möglich, für jeden beliebigen eingestellten Steuerparameter der Strahlrichteinheit den räumlichen Strahlverlauf des Messstrahls 6 relativ zum Messobjekt anzugeben:

Hierzu ist es allerdings zuerst notwendig, die bekannte räumliche Relation zwischen dem Messstrahl der interferometrischen Messvorrichtung und der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit in einen räumlichen Bezug zu überführen, indem für die eingestellten Steuerparameter der Strahlrichteinheit die beiden zunächst unbekannten Parameter, nämlich die beiden Ablenkwinkel des Messstrahls ermittelt werden.

Nun lässt sich aber mit Hilfe der bekannten räumlichen Relation und der in Verfahrensschritt D bestimmten räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 relativ zum Messobjekt 8 für alle prinzipiell durch die beiden Galvanometerspiegel realisierbaren Ablenkwinkel des Messstrahls der räumliche Strahlverlauf des Messstrahls relativ zum Messobjekt berechnen. Genauso lässt sich für jeden realisierbaren Ablenkwinkel dann auch der zugehörige Auftreffpunkt des Messstrahls auf dem Messobjekt ermitteln. Da die beiden Ablenkwinkel räumlich voneinander unabhängig sind, gehört zu jedem unterschiedlichen Paar an Ablenkwinkeln auch ein unterschiedlicher Auftreffpunkt auf dem Messobjekt. Dies lässt sich nun leicht dazu nutzen, durch Bestimmung der Koordinaten des tatsächlichen Auftreffpunkts des Messstrahls auf dem Messobjekt umgekehrt die zugehörigen Ablenkwinkel zu bestimmen:

Dazu werden zunächst die Ortskoordinaten des Auftreffpunktes des Messstrahls auf das Messobjekt 8 im Messobjekt-Modell bestimmt: Hierzu wird wie bereits zuvor beschrieben, mittels der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 ein ortsaufgelöstes Bild des Messgegenstandes 8a aufgenommen, während der Messstrahl auf den gewünschten Messpunkt auftrifft. Wie zuvor beschrieben können basierend auf diesem ortsaufgelösten Bild sowie aus der in Verfahrensschritt D bestimmten räumlichen Position und Ausrichtung der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit 11 im Koordinatensystem des Messobjekt-Modells die Ortskoordinaten des Auftreffpunktes des Messstrahls 6 auf den Messgegenstand 8a im Messobjekt-Modell bestimmt werden.

Nun müssen nur noch diejenigen Ablenkwinkel des Messstrahls bestimmt werden, bei denen der zugehörige berechnete Auftreffpunkt dem real gemessenen Auftreffpunkt entspricht. Für das korrespondierende mathematische Problem, zwei Parameter so zu bestimmen, dass eine ausschließlich von diesen beiden Parametern abhängige Funktion einen bestimmten Zielwert erreicht, gibt es eine große Zahl einschlägig bekannter Verfahren. Besonders vorteilhaft erweist es sich im konkreten Fall, beispielsweise das Distanzquadrat zwischen dem tatsächlich gemessenen Auftreffpunkt und dem zu zwei vorgegebenen Ablenkwinkeln gehörigen berechneten Auftreffpunkt als Bewertungskriterium für die Güte eben diese beiden Ablenkwinkel-Werte heranzuziehen und die Ablenkwinkel-Werte so zu optimieren, dass das Distanzquadrat möglichst klein, idealerweise Null wird. Hierfür kann beispielsweise ein Gradientenverfahren oder jegliche andere Minimierungsmethode herangezogen werden.

Als Ergebnis erhält man in jedem Fall die tatsächlichen Ablenkwinkel des Messstrahls, mit denen wie zuvor beschrieben der räumliche Strahlverlauf des Messstrahls relativ zum Messobjekt bestimmt werden kann.

Wenn man diese Bestimmung des räumlichen Strahlverlaufs des Messstrahls relativ zum Messobjekt, die ja sowohl Auftreffwinkel als auch Auftreffrichtung auf das Messobjekt zum Ergebnis hat, für eine Mehrzahl von möglichen Steuerparametern für die Strahlrichteinheit durchführt, kann man hiermit sogar die zuvor nicht kalibrierte Strahlrichteinheit mit Hilfe des Verfahrens kalibrieren. Hierzu führt man die Bestimmung des räumlichen Strahlverlaufs des Messstrahls für ein ausreichend eng liegendes Netz an Steuerparametern der Strahlrichteinheit durch und interpoliert die Ergebnisse für dazwischenliegende Steuerparameter geeignet, so dass man eine Zuordnungsvorschrift zwischen Steuerparametern einerseits und räumlichen Strahlverläufen, d. h beispielsweise Auftreffpunkten und Auftreffwinkeln auf das Messobjekt andererseits erhält.

In 5 sind Ausführungsbeispiele für Bildaufnahmeeinheiten der erfindungsgemäßen Messvorrichtung und zur Verwendung in Ausführungsbeispielen des Verfahrens schematisch dargestellt:

Die Bildaufnahmeeinheit a) ist als an sich bekannte, handelsübliche Digitalkamera mit einem Objektiv 16 ausgebildet. Die Bildaufnahmeeinheit gemäß b) weist zusätzlich einen Entfernungsmesser 17 auf.

In einer alternativen Ausgestaltung ist das mit Bezugszeichen 17 versehene Element als Beleuchtungseinheit zum Beleuchten des Messobjekts mit gepulstem und/oder moduliertem Licht ausgebildet. Mittels eine Auswerteeinheit wird die Laufzeit (bei gepulstem Licht) und/oder eine Phasenverschiebung (bei moduliertem Licht) zwischen dem von der Beleuchtungseinheit 17 ausgesandten und dem mittels der Digitalkamera empfangenen Licht ausgewertet, um in an sich bekannter Weise eine Abstandsbestimmung, insbesondere gemäß der „time of flight“-Methode, durchzuführen.

Diese beiden Kameras können grundsätzlich sowohl als bewegliche Bildaufnahmeeinheit 10, sowie als ortsfeste Bildaufnahmeeinheit 11 eingesetzt werden.

Die Bildaufnahmeeinheit c) ist insbesondere als bewegliche Bildaufnahmeeinheit 10 geeignet:

Die Bildaufnahmeeinheit gemäß c) weist eine Farbbildkamera 18, eine Schwarz-Weiß-Kamera 19, sowie eine Streifenprojektionseinheit 20 auf. Mittels der Streifenprojektionseinheit 20 wird ein Streifenmuster auf das Messobjekt 8 und insbesondere den Messgegenstand 8a projiziert. Mittels der Schwarz-Weiß-Kamera 19 wird ein ortsaufgelöstes Bild aufgenommen. Anschließend werden Streifenprojektionseinheit 20 und Schwarz-Weiß-Kamera 19 abgeschaltet und mittels der Farbbildkamera 18 wird ein ortsaufgelöstes Farbbild aufgenommen. Dieser Ablauf wird in zeitlich kurzer Abfolge wiederholt. Der Benutzer führt die bewegliche Bildaufnahmeeinheit 10, welche als Handgerät ausgebildet ist, um den Messgegenstand 4a herum, so dass eine Mehrzahl ortsaufgelöster Bilder sowohl mittels der Schwarz-Weiß-Kamera 19, als auch mittels der Farbkamera 18 aufgenommen wird. Aus den Bildern der Schwarz-Weiß-Kamera kann durch das an sich bekannte Streifenprojektionsverfahren ein dreidimensionales Modell des Messobjekts 8 erstellt werden. Darüber hinaus können den einzelnen Flächen des dreidimensionalen Modells, insbesondere Flächen eines Polygonnetzes des dreidimensionalen Modells, Bildbestandteile der mittels der Farbbildkamera 18 aufgenommenen Farbbilder zugeordnet werden, so dass nicht nur ein dreidimensionales Modell vorliegt, sondern darüber hinaus für jedes Polygon auch ein Farbbild der zugehörigen Oberfläche.

Die Bildaufnahmeeinheit d) weist lediglich einen Strahl auf, welcher mittels zweier drehbarer Spiegel einer Ablenkeinheit 21 der Bildaufnahmeeinheit d) auf Punkte der Oberfläche des Messobjekts gerichtet werden kann. Die Bildaufnahmeeinheit d) ist als Time-Of-Flight-Einheit ausgebildet: In einem scannenden Verfahren wird der Messstrahl der Bildaufnahmeeinheit d) auf eine Vielzahl von Ortpunkten auf dem Objekt gerichtet. Für jeden Ortspunkt wird ein Lichtpuls ausgesandt und die Zeit gemessen, innerhalb derer der von dem Objekt reflektierte Lichtpunkt wieder bei der Bildaufnahmeeinheit d) eintrifft. In an sich bekannter Weise kann aus der Zeitdifferenz zwischen Absenden des Lichtpulses und Wiedereintreffen des Lichtpulses der Abstand zu dem Objekt zumindest qualitativ bestimmt werden. Aus einem Vergleich der jeweils benötigten Zeitdauern für die Mehrzahl von Messpunkten kann ein dreidimensionales Modell des Objekts erstellt werden. Die Bildaufnahmeeinheit d) ist somit zum Durchführen der Verfahrensschritte A und B geeignet.

Auch hierbei wird zunächst ohne Bewegen der Bildaufnahmeeinheit d) relativ zu dem Messobjekt ein ortsaufgelöstes Bild durch das vorgenannt scannende Verfahren aufgenommen. Anschließend wird die Bildaufnahmeeinheit d) relativ zu dem Messobjekt bewegt, um ein weiteres ortsaufgelöstes Bild aus einer unterschiedlichen Perspektive ebenfalls mittels des scannenden Verfahrens aufzunehmen. Durch Wiederholen dieser Vorgänge werden gemäß Verfahrensschritt A eine Mehrzahl ortsaufgelöster Bilder aus unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen.

6 zeigt schematisch eine projizierte Ansicht des Messobjekts 8 basierend auf dem Messobjekt-Modell sowie darüber stilisiert ein zweidimensionales, ortsaufgelöstes Bild 8' des Messobjekts, welches mit einer Bildaufnahmeeinheit, bevorzugt der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit aufgenommen wurde. Wie bereits vorangehend beschrieben, werden zum Auffinden der Position, der Richtung und bevorzugt auch von Abbildungsparametern der Bildaufnahmeeinheit bevorzugt projizierte Ansichten des Messobjekts mit dem ortsaufgelösten Bild verglichen. Der Vergleich erfolgt bevorzugt unter Verwendung von identifizierten Merkmalen der Textur des Messobjekts, wie in 6 schematisch durch Kreuz, Kreis und Quadrat auf dem Messgegenstand 8a angedeutet ist. Diese Merkmale finden sich auch in dem ortsaufgelösten Bild 8' wieder. Wie zuvor beschrieben werden Position, Richtung und bevorzugt Abbildungsparameter der Kamera derart bestimmt, dass die projizierte Ansicht mit dem ortsaufgelösten Bild übereinstimmt oder zumindest näherungsweise übereinstimmt. Hierdurch wird die Position und Ausrichtung der Bildaufnahmeeinheit im Messobjekt-Modell bestimmt. Dadurch ist es wie zuvor beschrieben dann auch möglich, jedem Ort in mithilfe der Bildaufnahmeeinheit, insbesondere mithilfe der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit aufgenommenen Bildern die zugehörigen 3D-Koordinaten im dreidimensionalen Messobjekt-Modell zuzuordnen.

7 zeigt schematisch eine Ansicht des Messobjekts 8 mit einem durch einen Punkt gekennzeichneten Laserstrahlauftreffpunkt etwa mittig auf dem Messgegenstand 8a. Darüber ist schematisch ein ortsaufgelöstes Bild 8' dargestellt, welches mit einer Bildaufnahmeeinheit aufgenommen wurde. Das Bild 8' umfasst ebenfalls den Laserstrahlauftreffpunkt. Wie zuvor beschrieben, kann durch Zuordnen von Koordinaten des Messobjekt-Modells zu den Bildpunkten des Bildes 8' und Lokalisierung des Laserstrahlauftreffpunktes im Bild 8' dem Laserstrahlauftreffpunkt eine Position im Messobjekt-Modell, insbesondere dreidimensionale Koordinaten im Koordinatensystem des Messobjekt-Modells, zugeordnet werden, insbesondere, in dem zunächst die Position des Laserstrahlauftreffpunktes im Kamerabild lokalisiert wird und dann die Punkte des Geometriemodells gesucht werden, deren Projektion auf das Kamerabild sehr nah am Laserstrahlauftreffpunkt im Kamerabild liegen. Durch eine Interpolation der 3D Koordinaten dieser Punkte des Geometriemodells können schließlich die 3D-Koordinaten des Laserstrahlauftreffpunkts bestimmt werden.

Bezugszeichenliste

1, 1a, 1b, 1c
Messkopf
1'
Messkopf-Abgleichmodell
2
quaderförmiger Teil des Messkopfes
3
zylindrischer Teil des Messkopfes
4
Laserstrahlaustrittsöffnung
5
Laseraustrittspunkt
6
Messstrahl
7
Messstrahlausbreitungsrichtung
8
Messobjekt
8a
Messgegenstand
9
Auswerteeinheit
10
erste Bildaufnahmeeinheit
11
Strahllage-Bildaufnahmeeinheit
12
optische Achse der Strahllage-Bildaufnahmeeinheit
13
Haltevorrichtung
14
Strahlrichteinheit
15
Vibrometer
16
Objektiv
17
Entfernungsmesser
18
Farbbildkamera
19
s/w-Kamera
20
Streifenprojektionseinheit
21
Ablenkeinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • US 6711293 B1 [0040]
  • DE 102012211549 B3 [0205]