DE102016219632A1 - Chromatic confocal sensor for determining coordinates of at least one measurement object - Google Patents
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Abstract
Es wird ein konfokal chromatischer Sensor (110) zur Bestimmung von Koordinaten mindestens eines Messobjekts (112) vorgeschlagen. Der konfokal chromatische Sensor umfasst: – mindestens ein erstes Blendenelement (114); – mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung (116), welche eingerichtet ist, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl (118) zu erzeugen und das Messobjekt (112) durch das erste Blendenelement (114) hindurch zu beleuchten; – mindestens ein Sensorelement (120), wobei das Sensorelement (120) eingerichtet ist, mindestens einen vom Messobjekt (112) ausgehenden Detektionslichtstrahl (122) zu detektieren und mindestens eine Spektralverteilung zu bestimmen; – mindestens ein zweites Blendenelement (124), welches in einer Ausbreitungsrichtung des Detektionslichtstrahls (126) vor dem Sensorelement (120) angeordnet ist; – mindestens ein multifokales optisches Element (134), welches eingerichtet ist, mindestens zwei in einer Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls (136) hintereinanderliegende chromatisch konfokale Messbereiche (138) zu erzeugen; – mindestens eine Auswerteeinheit (158), welche eingerichtet ist, aus der Spektralverteilung eine Höhenkoordinate des Messobjekts (112) zu bestimmen.A confocal chromatic sensor (110) for determining coordinates of at least one measurement object (112) is proposed. The confocal chromatic sensor comprises: at least a first aperture element (114); - at least one illumination device (116) which is set up to generate at least one illumination light beam (118) and to illuminate the measurement object (112) through the first diaphragm element (114); - At least one sensor element (120), wherein the sensor element (120) is arranged to detect at least one of the measurement object (112) emanating detection light beam (122) and to determine at least one spectral distribution; - At least a second diaphragm element (124) which is arranged in a propagation direction of the detection light beam (126) in front of the sensor element (120); - At least one multifocal optical element (134) which is adapted to generate at least two in a propagation direction of the illumination light beam (136) one behind the other lying chromatic confocal measuring ranges (138); - At least one evaluation unit (158) which is adapted to determine a height coordinate of the measurement object (112) from the spectral distribution.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft einen konfokal chromatischen Sensor und ein Verfahren zur Bestimmung von Koordinaten mindestens eines Messobjekts. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik unter Verwendung eines berührungslosen Koordinatenmessgeräts. The invention relates to a confocal chromatic sensor and a method for determining coordinates of at least one measurement object. In particular, the present invention relates to the field of coordinate metrology using a non-contact coordinate measuring machine.
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung von Koordinaten eines Messobjekts bekannt. Beispielsweise werden Verfahren für Topografievermessungen, wie zum Beispiel Triangulationsverfahren verwendet. Beispielsweise sind Messverfahren bekannt, welche einen Messbereich in Perioden zerlegen, beispielsweise Interferometer und Streifenprojektoren. Weiter bekannt sind konfokale Abstandssensoren. Bei derartigen Sensoren erfolgt eine Tiefenbestimmung durch eine Auswertung einer Intensitätsverteilung entlang einer Höhenkoordinate z. Various devices and methods for determining coordinates of a measurement object are known from the prior art. For example, methods are used for topography surveys, such as triangulation methods. For example, measuring methods are known which decompose a measuring range into periods, for example interferometers and strip projectors. Also known are confocal distance sensors. In such sensors, a depth determination is carried out by an evaluation of an intensity distribution along a height coordinate z.
Im Gegensatz zu Messverfahren, bei welchen ein Messbereich in Perioden zerlegt wird, wie beispielsweise in Interferometern oder Streifenprojektoren, kann bei konfokalen Sensoren eine Anzahl von auflösbaren Tiefenstufen limitiert sein, beispielsweise auf 1000. So kann bei derartigen Sensoren entweder eine hohe Auflösung bei einem kleinen Messbereich oder eine geringe Auflösung bei einem großen Messbereich erreicht werden. In contrast to measuring methods in which a measuring range is decomposed into periods, as for example in interferometers or strip projectors, with confocal sensors a number of resolvable depth steps can be limited, for example to 1000. Thus, such sensors can either have a high resolution with a small measuring range or a low resolution can be achieved with a large measuring range.
Weiter kann bei konfokalen Sensoren die Höhenkoordinate z auf einer Oberfläche des Messobjekts durch Verschiebung der optischen Elemente bestimmt werden, so dass eine Messwertaufnahme mit einer Vielzahl von Bildern notwendig sein kann. Zudem können technische Probleme bei einer Realisierung einer schnellen hochpräzisen Kinematik auftreten. Further, in confocal sensors, the height coordinate z on a surface of the measurement object can be determined by displacement of the optical elements, so that a measured value recording with a multiplicity of images may be necessary. In addition, technical problems can occur in the realization of a fast high-precision kinematics.
Bekannt sind konfokal chromatische Sensoren, welche eine Messung der Höhenkoordinate z mit einem einzigen Bild ermöglichen. Grundsätzlich werden bei derartigen Sensoren Messobjektive mit chromatischer Aberration verwendet, welche Anteile eines Lichtstrahls mit verschiedenen Wellenlängen in verschiedenen Fokusebenen entlang einer optischen Achse des Sensors fokussieren. Jeder Wellenlänge des Lichtstrahls kann so eine Höhenkoordinate zugeordnet werden. Wenn sich ein Fokus einer Wellenlänge auf einer Oberfläche des Messobjekts befindet, kann für diese Wellenlänge auf einem Sensorelement des konfokal chromatischen Sensors ein Intensitätsmaximum gemessen werden und so die Tiefe bestimmt werden. Known confocal chromatic sensors, which allow a measurement of the height coordinate z with a single image. Basically, chromatic aberration sensing lenses are used in such sensors which focus portions of a light beam having different wavelengths in different focal planes along an optical axis of the sensor. Each wavelength of the light beam can be assigned such a height coordinate. If a focus of a wavelength is located on a surface of the measurement object, an intensity maximum can be measured for a sensor element of the confocal chromatic sensor for this wavelength and thus the depth can be determined.
Eine maximal erreichbare Tiefenauflösung eines chromatisch konfokalen Sensors kann durch den Messbereich und eine spektrale Auflösung bestimmt sein. Die spektrale Auflösung kann durch eine verfügbare Bandbreite von Lichtquellen und eine für eine Auswertung zur Verfügung stehende Anzahl von Pixeln eines Sensors, insbesondere eines Spektrometers, begrenzt sein. Insbesondere bei sogenannten Multispotsensoren kann eine Anzahl der zur Verfügung stehenden Pixel pro Spektrum limitiert sein. A maximum achievable depth resolution of a chromatic confocal sensor can be determined by the measuring range and a spectral resolution. The spectral resolution may be limited by an available bandwidth of light sources and an available number of pixels of a sensor, in particular a spectrometer. Especially with so-called multi-spot sensors, a number of the available pixels per spectrum can be limited.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen chromatisch konfokalen Sensor und ein Verfahren bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine Vergrößerung eines Messbereichs ohne einen Auflösungsverlust ermöglicht werden. It is therefore an object of the present invention to provide a chromatically confocal sensor and a method which at least largely avoid the disadvantages of known devices and methods. In particular, an enlargement of a measuring range without a loss of resolution is to be made possible.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.This object is achieved by a device and a method having the features of the independent claims. Preferred embodiments, which can be implemented individually or in combination, are shown in the dependent claims.
Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben dem durch diese Begriffe eingeführten Merkmal, keine weiteren Merkmale vorhanden sind oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht) als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.Hereinafter, the terms "having", "having", "including" or "including" or any grammatical variations thereof are used in a non-exclusive manner. Accordingly, these terms may refer to situations in which, besides the feature introduced by these terms, there are no other features or situations in which one or more other features are present. For example, the expression "A has B", "A has B", "A includes B" or "A includes B" can both refer to the situation in which, apart from B, there is no further element in A. (ie a situation in which A consists exclusively of B) as well as the situation in which, in addition to B, one or more further elements in A are present, for example element C, elements C and D or even further elements.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe oder ähnliche Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.It is further to be understood that the terms "at least one" and "one or more" and grammatical variations of these terms or similar terms, when used in conjunction with one or more elements or features, are intended to express that element or feature in a simple manner or may be provided more than once, are usually used only once, for example, at the first introduction of the feature or Element. In a subsequent re-mention of the feature or element, the corresponding term "at least one" or "one or more" is generally no longer used, without limiting the possibility that the feature or element may be single or multiple.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.Furthermore, the terms "preferably", "in particular", "for example" or similar terms are used below in connection with optional features, without restricting alternative embodiments thereof. Thus, features introduced by these terms are optional features, and it is not intended by these features to limit the scope of the claims and, in particular, the independent claims. Thus, as those skilled in the art will recognize, the invention may be practiced using other embodiments. Similarly, features introduced by "in one embodiment of the invention" or by "in one embodiment of the invention" are to be understood as optional features without, however, being construed as limiting alternative embodiments or the scope of the independent claims. Furthermore, these introductory expressions are intended to preserve all possibilities of combining the features introduced thereby with other features, be they optional or non-optional features.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein konfokal chromatischer Sensor zur Bestimmung von Koordinaten mindestens eines Messobjekts vorgeschlagen. In a first aspect of the present invention, a confocal chromatic sensor for determining coordinates of at least one measurement object is proposed.
Unter einem konfokal chromatischen Sensor kann grundsätzlich ein optischer Sensor verstanden werden, welcher mindestens einen konfokal chromatischen Strahlengang aufweist. Unter dem Begriff „Strahlengang“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verlauf von Lichtstrahlen durch optische Elemente verstanden werden. Der chromatisch konfokale Sensor kann eingerichtet sein, Anteile eines Beleuchtungslichtstrahls mit verschiedenen Wellenlängen in verschiedenen Fokusebenen entlang einer optischen Achse des Sensors zu fokussieren. Der konfokal chromatische Sensor kann eine optische Achse in Blickrichtung des Sensorelements aufweisen. Die optische Achse kann eine Achse des Koordinatensystems sein, beispielsweise die z-Achse. Senkrecht zu der z-Achse können weitere Achsen, beispielsweise x-Achse und y-Achse, vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein erster Anteil des Beleuchtungslichtstrahls mit einer ersten Wellenlänge in einer ersten Fokusebene, beispielsweise an einem ersten Punkt, insbesondere einer ersten z-Koordinate, auf der optischen Achse, fokussiert werden und ein zweiter Anteil des Beleuchtungslichtstrahls mit einer zweiten Wellenlänge, welche von der ersten Wellenlänge verschieden ist, kann in einer zweiten Fokusebene, beispielsweise einem zweiten Punkt, insbesondere einer zweiten z-Koordinate, welcher von dem ersten Punkt verschieden ist, fokussiert werden. Unter einem „chromatisch konfokalen Strahlengang“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Strahlengang verstanden werden, in welchem für mindestens eine Wellenlänge des Beleuchtungslichtstrahls ein Beleuchtungsstrahlengang und ein Detektionsstrahlengang konfokal sind. Insbesondere kann für mindestens eine Wellenlänge des Beleuchtungslichtstrahls die Bedingung erfüllt sein, dass sich ein erster Fokus auf der Oberfläche des Messobjekts befindet und sich gleichzeitig ein zweiter Fokus in einer Öffnung, insbesondere an einem Punkt in der Öffnung, eines Blendenelements befindet, welches in einer Ausbreitungsrichtung eines von dem Messobjekt remittierten Lichtstrahls vor einem Sensorelement angeordnet ist. Der konfokal chromatische Sensor kann eingerichtet sein, ein Messobjekt, insbesondere eine Oberfläche und/oder eine Oberflächenkontur eines Messobjekts, zu vermessen. Insbesondere kann der konfokal chromatische Sensor ein berührungsloser Abstandssensor im Bereich der Koordinatenmesstechnik sein oder kann in einem berührungslosen Abstandssensor verwendet werden.Under a confocal chromatic sensor can basically be understood an optical sensor which has at least one confocal chromatic beam path. In the context of the present invention, the term "beam path" can be understood to mean a course of light beams through optical elements. The chromatic confocal sensor may be configured to focus portions of an illuminating light beam having different wavelengths in different focal planes along an optical axis of the sensor. The confocal chromatic sensor may have an optical axis in the direction of the sensor element. The optical axis may be an axis of the coordinate system, for example the z-axis. Perpendicular to the z-axis further axes, such as x-axis and y-axis, may be provided. For example, a first portion of the illumination light beam having a first wavelength can be focused in a first focal plane, for example at a first point, in particular a first z-coordinate, on the optical axis, and a second portion of the illumination light beam at a second wavelength, which differs from the first first wavelength is different, can be focused in a second focal plane, for example a second point, in particular a second z-coordinate, which is different from the first point. In the context of the present invention, a "chromatically confocal beam path" can be understood as a beam path in which an illumination beam path and a detection beam path are confocal for at least one wavelength of the illumination light beam. In particular, the condition can be fulfilled for at least one wavelength of the illumination light beam that there is a first focus on the surface of the measurement object and at the same time a second focus is in an opening, in particular at a point in the opening, of an aperture element which is in a propagation direction one of the measurement object remitted light beam is arranged in front of a sensor element. The confocal chromatic sensor can be set up to measure a measurement object, in particular a surface and / or a surface contour of a measurement object. In particular, the confocal chromatic sensor may be a non-contact distance sensor in the field of coordinate metrology or may be used in a non-contact distance sensor.
Unter einem Messobjekt kann dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebig geformtes zu vermessendes Objekt verstanden werden. Beispielsweise kann das Messobjekt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Prüfling, einem zu vermessenden Werkstück und einem zu vermessenden Bauteil, beispielsweise einem Kraftfahrzeug, sein. Auch andere Messobjekte sind jedoch denkbar. Unter Koordinaten eines Messobjekts können im Rahmen der vorliegenden Erfindung Koordinaten auf einer zu vermessenden Oberfläche des Messobjekts verstanden werden, insbesondere Höhenkoordinaten. Zu diesem Zweck können ein oder mehrere Koordinatensysteme verwendet werden. Beispielsweise kann ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem verwendet werden. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar.In the context of the present invention, a measuring object can generally be understood to be an arbitrarily shaped object to be measured. For example, the measurement object can be selected from the group consisting of a test object, a workpiece to be measured and a component to be measured, for example a motor vehicle. Other measurement objects are also conceivable. Coordinates of a measurement object in the context of the present invention can be understood as coordinates on a surface to be measured of the measurement object, in particular height coordinates. One or more coordinate systems can be used for this purpose. For example, a Cartesian coordinate system or a spherical coordinate system can be used. Other coordinate systems are also conceivable.
Der konfokal chromatische Sensor umfasst
- – mindestens ein erstes Blendenelement;
- – mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung, welche eingerichtet ist, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und das Messobjekt durch das erste Blendenelement hindurch zu beleuchten;
- – mindestens ein Sensorelement, wobei das Sensorelement eingerichtet ist, mindestens einen vom Messobjekt ausgehenden Detektionslichtstrahl zu detektieren und mindestens eine Spektralverteilung zu bestimmen;
- – mindestens ein zweites Blendenelement, welches in einer Ausbreitungsrichtung des Detektionslichtstrahls vor dem Sensorelement angeordnet ist;
- – mindestens ein multifokales optisches Element, welches eingerichtet ist, mindestens zwei in einer Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls hintereinanderliegende chromatisch konfokale Messbereiche zu erzeugen;
- – mindestens eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist, aus der Spektralverteilung eine Höhenkoordinate des Messobjekts zu bestimmen.
- - At least a first panel member;
- At least one illumination device, which is set up to generate at least one illumination light beam and to illuminate the measurement object through the first diaphragm element;
- At least one sensor element, wherein the sensor element is set up to detect at least one detection light beam emanating from the measurement object and to determine at least one spectral distribution;
- - At least a second diaphragm element, which is arranged in a propagation direction of the detection light beam in front of the sensor element;
- At least one multifocal optical element which is set up to generate at least two chromatically confocal measuring ranges arranged one after the other in a propagation direction of the illuminating light beam;
- At least one evaluation unit, which is set up to determine a height coordinate of the measured object from the spectral distribution.
Unter einem „Blendenelement“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein optisches Element oder Bauteil des konfokal chromatischen Sensors verstanden werden, welches eingerichtet ist, eine Ausdehnung eines Strahlenbündels begrenzen. Die Bezeichnung „erstes“ und „zweites“ Blendenelement sind als reine Bezeichnungen zu verstehen und geben insbesondere keinen Aufschluss über eine Reihenfolge oder ob der konfokal chromatische Sensor weitere Blendenelemente aufweist. Das erste Blendenelement und das zweite Blendenelement können als ein optisches Element mit mindestens einer beliebig geformten und/oder einstellbaren und/oder verstellbaren Öffnung ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die Öffnung des Blendenelements einen Durchmesser im Mikrometerbereich aufweisen, beispielsweise kann der Durchmesser 20 μm sein. Beispielsweise können das erste und das zweite Blendenelement ein sogenanntes Pinhole aufweisen. In the context of the present invention, an "aperture element" can basically be understood to mean an optical element or component of the confocal chromatic sensor which is set up to limit an expansion of a radiation beam. The term "first" and "second" diaphragm element are to be understood as pure designations and, in particular, provide no information about an order or whether the confocal chromatic sensor has further diaphragm elements. The first diaphragm element and the second diaphragm element can be designed as an optical element with at least one arbitrarily shaped and / or adjustable and / or adjustable opening. For example, the opening of the diaphragm element may have a diameter in the micrometer range, for example the diameter may be 20 μm. For example, the first and the second diaphragm element may have a so-called pinhole.
Das erste Blendenelement kann eingerichtet sein, einen von der Beleuchtungsvorrichtung erzeugten Lichtstrahl derart zu begrenzen, dass das Blendenelement als eine Punktlichtquelle wirkt. Das erste Blendenelement kann vor der Beleuchtungsvorrichtung angeordnet sein. Das erste Blendenelement kann als konfokale Blende wirken. The first diaphragm element may be configured to limit a light beam generated by the illumination device such that the diaphragm element acts as a point light source. The first diaphragm element can be arranged in front of the illumination device. The first aperture element can act as a confocal aperture.
Der konfokal chromatische Sensor umfasst mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung, welche eingerichtet ist, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und das Messobjekt durch das erste Blendenelement hindurch zu beleuchten. Unter einer Beleuchtungsvorrichtung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, mindestens einen Lichtstrahl zu erzeugen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine polychromatische Lichtquelle und/oder mindestens eine Weißlichtquelle aufweisen. Die Lichtquelle kann eine breite und gleichmäßig verteilte spektrale Dichte aufweisen. Unter „das Messobjekt hindurch zu beleuchten“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden werden, dass die Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet ist, das erste Blendenelement zu beleuchten und weiterhin die Oberfläche, insbesondere einen Punkt oder eine Fläche auf der Oberfläche, des Messobjekts zu beleuchten.The confocal chromatic sensor comprises at least one illumination device which is set up to generate at least one illumination light beam and to illuminate the measurement object through the first diaphragm element. In the context of the present invention, a lighting device can be understood as any device which is set up to generate at least one light beam. The lighting device may have at least one light source. The illumination device may have at least one polychromatic light source and / or at least one white light source. The light source may have a broad and evenly distributed spectral density. In the context of the present invention, the term "illuminating the test object" can be understood to mean that the lighting device is set up to illuminate the first diaphragm element and furthermore to illuminate the surface, in particular a point or a surface on the surface of the test object.
Unter “Licht” kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung elektromagnetische Strahlung in mindestens einem Spektralbereich ausgewählt aus dem sichtbaren Spektralbereich, dem ultravioletten Spektralbereich und dem Infraroten Spektralbereich. Der Begriff sichtbarer Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 380 nm bis 780 nm. Der Begriff Infraroter (IR) Spektralbereich umfasst einen grundsätzlich einen Bereich von 780 nm bis 1000 µm, wobei der Bereich von 780 nm bis 1.4 µm als nahes Infrarot (NIR), und der Bereich von 15 µm bis 1000 µm als fernes Infrarot (FIR) bezeichnet wird. Der Begriff ultraviolett umfasst grundsätzlich einen Spektralbereich von 100 nm to 380 nm. Bevorzugt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung sichtbares Licht, also Licht aus dem sichtbaren Spektralbereich, verwendet.In the context of the present invention, "light" can be used to select electromagnetic radiation in at least one spectral range from the visible spectral range, the ultraviolet spectral range and the infrared spectral range. The term visible spectral range basically covers a range from 380 nm to 780 nm. The term infrared (IR) spectral range generally covers a range from 780 nm to 1000 μm, the range from 780 nm to 1.4 μm being referred to as near infrared (NIR), and the range of 15 μm to 1000 μm is referred to as far infrared (FIR). The term ultraviolet basically comprises a spectral range of 100 nm to 380 nm. Preferably, in the context of the present invention, visible light, ie light from the visible spectral range, is used.
Unter dem Begriff “Lichtstrahl” kann grundsätzlich eine Lichtmenge verstanden werden, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder ausgesandt wird. Der Lichtstrahl kann ein Strahlenbündel sein. Unter dem Begriff „Beleuchtungslichtstrahl“ kann ein Lichtstrahl verstanden werden, welcher von der Beleuchtungsvorrichtung erzeugt wird und das Messobjekt, insbesondere die Oberfläche des Messobjekts, beleuchtet. Unter „mindestens einen vom Messobjekt ausgehenden Detektionslichtstrahl“ kann ein Lichtstrahl verstanden werden, welcher von dem Messobjekt, insbesondere von der Oberfläche des Messobjekts, remittiert wird und von dem Sensorelement detektierbar ist. The term "light beam" can basically be understood to mean a quantity of light which is emitted and / or emitted in a specific direction. The light beam can be a beam. The term "illumination light beam" can be understood to mean a light beam which is generated by the illumination device and illuminates the measurement object, in particular the surface of the measurement object. The term "at least one detection light beam emanating from the measurement object" can be understood to mean a light beam which is remitted from the measurement object, in particular from the surface of the measurement object, and can be detected by the sensor element.
Der Detektionslichtstrahl kann eine Ausbreitungsrichtung aufweisen, so dass der Detektionslichtstrahl das zweite Blendenelement und das Sensorelement beleuchtet.The detection light beam may have a propagation direction, so that the detection light beam illuminates the second diaphragm element and the sensor element.
Der konfokal chromatische Sensor umfasst mindestens ein Sensorelement, wobei das Sensorelement eingerichtet ist, mindestens einen vom Messobjekt ausgehenden Detektionslichtstrahl zu detektieren und mindestens eine Spektralverteilung zu bestimmen. Unter einem „Sensorelement“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, um mindestens eine optische Messgröße, beispielsweise eine Intensität, des Detektionslichtstrahls, zu erfassen und ein entsprechendes Signal zu generieren, beispielsweise ein elektrisches Signal, beispielsweise ein analoges und/oder ein digitales Signal. Unter einer Bestimmung einer Spektralverteilung kann eine Messung und/oder Bestimmung der Intensität des Detektionslichtstrahls als Funktion der Wellenlänge verstanden werden. Die Spektralverteilung kann eine Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von einer Wellenlänge umfassen. Das Sensorelement kann ein spektral auflösender Detektor sein und/oder umfassen. Insbesondere kann das Sensorelement ein Spektrometer sein und/oder umfassen.The confocal chromatic sensor comprises at least one sensor element, wherein the sensor element is set up to detect at least one detection light beam emanating from the measurement object and to determine at least one spectral distribution. In the context of the present invention, a "sensor element" can be understood to be any device which is set up to detect at least one optical measured variable, for example an intensity, of the detection light beam and to generate a corresponding signal, for example an electrical signal, for example a analog and / or a digital signal. A determination of a spectral distribution can be understood as meaning a measurement and / or determination of the intensity of the detection light beam as a function of the wavelength. The Spectral distribution can include an intensity distribution as a function of a wavelength. The sensor element can be and / or comprise a spectrally resolving detector. In particular, the sensor element may be and / or comprise a spectrometer.
Der konfokal chromatische Sensor umfasst mindestens ein zweites Blendenelement, welches in der Ausbreitungsrichtung des Detektionslichtstrahls vor dem Sensorelement angeordnet ist. Das zweite Blendenelement kann als eine sensorische Blende ausgestaltet sein. Auf einer Rückseite des zweiten Blendenelements kann ein Sensorelement angeordnet sein. Das zweite Blendenelement kann derart angeordnet sein, dass von dem Messobjekt remittiertes Licht auf das zweite Blendenelement treffen kann. Das zweite Blendenelement kann eingerichtet sein, das Sensorelement zu beleuchten. Das zweite Blendenelement kann als konfokale Blende wirken. Für eine Wellenlänge des Beleuchtungslichtstrahls kann sich ein Fokus auf der Oberfläche des Messobjekts befinden. Gleichzeitig kann sich für diese Wellenlänge des Detektionslichtstrahls ein Fokus an einem Punkt in einer Mitte einer Öffnung des zweiten Blendenelements befinden, so dass für diese Wellenlänge die Intensität auf dem Sensorelement maximal wird. Das zweite Blendenelement kann eingerichtet sein, alle weiteren spektralen Anteile des Detektionslichtstrahls auszublenden.The confocal chromatic sensor comprises at least one second diaphragm element, which is arranged in front of the sensor element in the propagation direction of the detection light beam. The second diaphragm element can be designed as a sensory diaphragm. On a rear side of the second diaphragm element, a sensor element can be arranged. The second diaphragm element may be arranged such that light reflected from the measurement object can strike the second diaphragm element. The second diaphragm element can be set up to illuminate the sensor element. The second diaphragm element can act as a confocal diaphragm. For a wavelength of the illumination light beam, a focus may be on the surface of the measurement object. At the same time, for this wavelength of the detection light beam, a focus can be located at a point in a center of an opening of the second diaphragm element, so that the intensity on the sensor element becomes maximum for this wavelength. The second diaphragm element can be set up to hide all other spectral components of the detection light beam.
Der konfokal chromatische Sensor umfasst mindestens ein multifokales optisches Element, welches eingerichtet ist mindestens zwei in einer Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls hintereinanderliegende chromatisch konfokale Messbereiche zu erzeugen. Unter einem optischen Element kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebiges optisches Bauteil oder eine beliebige optische Komponente verstanden werden. The confocal chromatic sensor comprises at least one multifocal optical element which is set up to generate at least two chromatically confocal measuring ranges arranged one behind the other in a propagation direction of the illuminating light beam. In the context of the present invention, an optical element can be understood to mean any optical component or any optical component.
Unter einem multifokalen optischen Element kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein optisches Element verstanden werden, welches eingerichtet ist durchtretendes Licht in zwei oder mehreren Brennweiten zu fokussieren. Das multifokale optische Element kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einer Bifokallinse; mindestens einer Multifokallinse. Das multifokale optische Element kann mindestens ein refraktives und/oder mindestens ein diffraktives optisches Element umfassen. Das multifokale optische Element kann eine Linsengruppe und/oder ein Linsensystem umfassen. In the context of the present invention, a multifocal optical element can be understood to be an optical element which is set up to focus transmitted light in two or more focal lengths. The multifocal optical element may be selected from the group consisting of: at least one bifocal lens; at least one multifocal lens. The multifocal optical element may comprise at least one refractive and / or at least one diffractive optical element. The multifocal optical element may comprise a lens group and / or a lens system.
Das multifokale optische Element ist eingerichtet mindestens zwei hintereinanderliegende chromatisch konfokale Messbereiche zu erzeugen. Das multifokale optische Element kann eingerichtet sein mindestens einen Anteil des Beleuchtungslichtstrahls mit einer Wellenlänge entlang der optischen Achse in mindestens zwei Fokusebenen, insbesondere in eine Vielzahl von Fokusebenen, zu fokussieren. Das multifokale optische Element kann eingerichtet sein, die Anteile des Beleuchtungslichtstrahls mit verschiedener Wellenlänge entlang der optischen Achse in verschiedene Fokusebenen zu fokussieren. Das multifokale optische Element kann eingerichtet sein die Anteile des Beleuchtungslichtstrahls mit verschiedener Wellenlänge jeweils in zwei oder mehreren Fokusebenen entlang der optischen Achse zu fokussieren. Das multifokale optische Element kann eingerichtet sein die Anteile des Beleuchtungslichtstrahls mit verschiedener Wellenlänge jeweils in mindestens zwei Fokusebenen entlang der optischen Achse zu fokussieren. Beispielsweise kann das multifokale optische Element eingerichtet sein, mindestens zwei Anteile des Beleuchtungslichtstrahls mit verschiedenen Wellenlängen an jeweils mindestens zwei Fokusebenen entlang der optischen Achse zu fokussieren. Das multifokale optische Element kann eingerichtet sein, die Anteile des Beleuchtungslichtstrahls mit verschiedener Wellenlänge jeweils in einer Vielzahl von Fokusebenen entlang der optischen Achse zu fokussieren. Ein Abstand der Fokusebenen kann kleiner als ein durch ein Spektrum der Beleuchtungsvorrichtung definierter Messbereich sein. Unter dem Begriff „chromatisch konfokaler Messbereich“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bereich entlang der optischen Achse verstanden werden, in welchem die Anteile des Beleuchtungslichtstrahls mit verschiedener Wellenlänge jeweils einmal in jeweils einer Fokusebene fokussiert werden. Beispielsweise kann das multifokale optische Element einen ersten und einen zweiten chromatisch konfokalen Messbereich erzeugen. Beispielsweise kann das multifokale optische Element eingerichtet sein eine Vielzahl von chromatisch konfokalen Messbereichen zu erzeugen. Eine Reihenfolge der Fokusebenen der Wellenlängen in den jeweiligen chromatisch konfokalen Messbereichen kann identisch sein, insbesondere kann die Reihenfolge der Fokusebenen periodisch sein. Unter dem Begriff „hintereinanderliegen“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden werden, dass der erste chromatisch konfokale Messbereich und der zweite konfokale Messbereich entlang der z-Achse hintereinander angeordnet sind und/oder aufeinanderfolgen. Der erste chromatisch konfokale Messbereich und der zweite chromatisch konfokale Messbereich können sich teilweise überlappen oder können vollständig voneinander getrennt ausgestaltet sein. Beispielsweise können die chromatisch konfokalen Messbereiche aufeinanderfolgend oder überlappend sein.The multifocal optical element is set up to produce at least two consecutive chromatically confocal measuring ranges. The multifocal optical element may be configured to focus at least a portion of the illumination light beam having a wavelength along the optical axis in at least two focal planes, in particular in a plurality of focal planes. The multifocal optical element may be configured to focus the portions of the illumination light beam of different wavelength along the optical axis into different focal planes. The multifocal optical element may be configured to focus the portions of the illumination light beam having different wavelengths respectively in two or more focal planes along the optical axis. The multifocal optical element can be set up to focus the components of the illumination light beam with different wavelengths in each case in at least two focal planes along the optical axis. For example, the multifocal optical element may be configured to focus at least two portions of the illumination light beam having different wavelengths on at least two focal planes along the optical axis. The multifocal optical element may be configured to focus the portions of the illumination light beam having different wavelengths each in a plurality of focal planes along the optical axis. A distance of the focal planes may be smaller than a measuring range defined by a spectrum of the illumination device. In the context of the present invention, the term "chromatically confocal measuring range" can be understood to mean a region along the optical axis in which the portions of the illumination light beam having different wavelengths are focused once in each case in one focal plane. For example, the multifocal optical element may produce first and second chromatic confocal measurement ranges. For example, the multifocal optical element may be configured to generate a plurality of chromatically confocal measuring ranges. An order of the focal planes of the wavelengths in the respective chromatically confocal measuring ranges may be identical, in particular, the order of the focal planes may be periodic. Within the scope of the present invention, the term "one behind the other" can be understood to mean that the first chromatically confocal measuring range and the second confocal measuring range are arranged one behind the other along the z-axis and / or follow one another. The first chromatic confocal measurement area and the second chromatic confocal measurement area may partially overlap or may be completely separated from one another. For example, the chromatic confocal measuring ranges may be consecutive or overlapping.
Der Beleuchtungslichtstrahl kann eine Vielzahl von Wellenlängen aufweisen. Beispielsweise kann der Beleuchtungslichtstrahl eine Vielzahl von Wellenlängen in einem Bereich von 380 nm bis 780 nm aufweisen. Das multifokale optische Element kann ein multifokales optisches Element mit chromatischer Aberration sein und/oder chromatisch aberrative Eigenschaften aufweisen. Insbesondere kann das multifokale optische Element eingerichtet sein, Anteile des Beleuchtungslichtstrahls mit verschiedener Wellenlänge in verschiedene Fokusebenen entlang einer optischen Achse des Sensorelements zu fokussieren. Unter einer Fokusebene kann hierbei grundsätzlich eine Ebene verstanden werden, welche senkrecht zu der optischen Achse angeordnet ist und in welcher ein Fokus des Beleuchtungslichtstrahls angeordnet ist. Insbesondere kann der Fokus auf der optischen Achse oder parallel zu der optischen Achse angeordnet sein. The illumination light beam may have a plurality of wavelengths. For example, the illumination light beam may have a plurality of wavelengths in a range of 380 nm to 780 nm. The multifocal optical element can be a multifocal optical element with be chromatic aberration and / or exhibit chromatic aberrative properties. In particular, the multifocal optical element can be set up to focus portions of the illumination light beam having different wavelengths into different focal planes along an optical axis of the sensor element. Here, a focal plane can basically be understood to mean a plane which is arranged perpendicular to the optical axis and in which a focus of the illumination light beam is arranged. In particular, the focus can be arranged on the optical axis or parallel to the optical axis.
Der konfokale chromatische Sensor kann mindestens eine Transfervorrichtung aufweisen. Die Transfervorrichtung kann als Teil des multifokalen optischen Elements ausgestaltet sein oder ein als ein separates Element. Die Transfervorrichtung kann eingerichtet sein, von der Beleuchtungsvorrichtung erzeugtes Licht auf das Messobjekt, insbesondere auf die Oberfläche des Messobjekts, zu führen und/oder zu lenken. Weiter kann die Transfervorrichtung eingerichtet sein, von dem Messobjekt remittiertes und/oder reflektiertes Licht auf das zweite Blendenelement zu führen und/oder zu lenken. Die Transfervorrichtung kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Strahlteiler; mindestens einer Linse; mindestens einer Linsengruppe. The confocal chromatic sensor may include at least one transfer device. The transfer device may be configured as part of the multifocal optical element or as a separate element. The transfer device can be set up to guide and / or direct light generated by the illumination device to the measurement object, in particular to the surface of the measurement object. Furthermore, the transfer device can be set up to guide and / or direct light reflected and / or reflected by the measurement object onto the second diaphragm element. The transfer device may be selected from the group consisting of: at least one beam splitter; at least one lens; at least one lens group.
Der konfokal chromatische Sensor umfasst mindestens eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist, aus der Spektralverteilung eine Höhenkoordinate des Messobjekts zu bestimmen. Unter „einer Auswerteeinheit“ kann dabei allgemein eine elektronische Vorrichtung verstanden sein, welche eingerichtet ist, um von dem Sensorelement erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem Sensorelement und der Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um das Sensorelement anzusteuern. Die Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. The confocal chromatic sensor comprises at least one evaluation unit, which is set up to determine a height coordinate of the measurement object from the spectral distribution. In this context, "an evaluation unit" can generally be understood to mean an electronic device which is set up to evaluate signals generated by the sensor element. For example, one or more electronic connections between the sensor element and the evaluation unit can be provided for this purpose. The evaluation unit can comprise, for example, at least one data processing device, for example at least one computer or microcontroller. The data processing device can have one or more volatile and / or non-volatile data memories, wherein the data processing device can be set up, for example by programming, to control the sensor element. The evaluation unit may further comprise at least one interface, for example an electronic interface and / or a human-machine interface such as an input / output device such as a display and / or a keyboard. The evaluation unit can be constructed, for example, centrally or decentrally. Other embodiments are conceivable.
Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um mindestens ein Intensitätsmaximum der Spektralverteilung zu bestimmen. Die Spektralverteilung kann mindestens ein Intensitätsmaximum aufweisen. Die Spektralverteilung kann insbesondere eine Vielzahl von Intensitätsmaxima aufweisen. Wie oben ausgeführt, kann das multifokale optische Element eingerichtet sein, die Anteile des Beleuchtungslichtstrahls in verschiedene Fokusebenen entlang der optischen Achse, beispielsweise der z-Achse, zu fokussieren. Das multifokale optische Element kann eingerichtet sein mindestens einen Anteil des Beleuchtungslichtstrahls mit einer Wellenlänge entlang der optischen Achse in mindestens zwei Fokusebenen, insbesondere in eine Vielzahl von Fokusebenen, zu fokussieren. Das multifokale optische Element kann weiter eingerichtet sein, die Anteile des Beleuchtungslichtstrahls mit verschiedener Wellenlänge jeweils in einer Vielzahl von Fokusebenen entlang der optischen Achse, beispielsweise der z-Achse, zu fokussieren und so eine Vielzahl von chromatisch konfokalen Messbereichen zu erzeugen. Der konfokal chromatische Sensor kann eingerichtet sein und/oder derart angeordnet sein, dass die Oberfläche des Messobjekts im Fokus einer Wellenlänge eines chromatisch konfokalen Messbereichs angeordnet ist. Auf dem zweiten Blendenelement kann sich, wenn sich die Oberfläche des Messobjekts im Fokus einer Wellenlänge eines chromatisch konfokalen Messbereichs befindet, ein scharfer Lichtpunkt abbilden. Der Lichtpunkt kann das Sensorelement mit maximaler Intensität beleuchten, so dass das Sensorelement ein Intensitätsmaximum in der Spektralverteilung detektiert. Das zweite Blendenelement kann eingerichtet sein, alle weiteren spektralen Anteile des Detektionslichtstrahls auszublenden, welche das Sensorelement nicht mit maximaler Intensität beleuchten. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, das Intensitätsmaximum zu erkennen. The evaluation unit can be set up to determine at least one intensity maximum of the spectral distribution. The spectral distribution can have at least one intensity maximum. The spectral distribution can in particular have a multiplicity of intensity maxima. As stated above, the multifocal optical element may be configured to focus the components of the illumination light beam into different focal planes along the optical axis, for example the z-axis. The multifocal optical element may be configured to focus at least a portion of the illumination light beam having a wavelength along the optical axis in at least two focal planes, in particular in a plurality of focal planes. The multifocal optical element may be further configured to focus the portions of the illumination light beam having different wavelengths respectively in a plurality of focal planes along the optical axis, for example, the z-axis, to produce a plurality of chromatically confocal measurement areas. The confocal chromatic sensor may be arranged and / or arranged such that the surface of the measurement object is arranged in the focus of a wavelength of a chromatically confocal measurement area. When the surface of the measuring object is in the focus of a wavelength of a chromatically confocal measuring area, a sharp point of light can be imaged on the second screen element. The light spot can illuminate the sensor element with maximum intensity, so that the sensor element detects an intensity maximum in the spectral distribution. The second diaphragm element can be set up to hide all other spectral components of the detection light beam that do not illuminate the sensor element with maximum intensity. The evaluation unit can be set up to recognize the intensity maximum.
Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um dem Intensitätsmaximum eine Wellenlänge zuzuordnen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, der dem Intensitätsmaximum zugeordneten Wellenlänge eine Fokusebene und so eine Koordinate auf der optischen Achse zuzuordnen. Die Koordinate auf der optischen Achse kann einer Höhenkoordinate des Messobjekts entsprechen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um dem Intensitätsmaximum einen chromatisch konfokalen Messbereich zuzuordnen. Eine Zuordnung eines Intensitätsmaximums zu einer Wellenlänge und einem chromatisch konfokalen Messbereich kann eine eindeutige Bestimmung einer Höhenkoordinate des Messobjekts ermöglichen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, die Wellenlängen der Spektralverteilung, welche ein Intensitätsmaximum aufweisen, zu identifizieren und eine Anzahl dieser Wellenlängen in der Spektralverteilung zu bestimmen und so jedem Intensitätsmaximum einen chromatisch konfokalen Messbereich eindeutig zuordnen.The evaluation unit can be set up to assign a wavelength to the intensity maximum. The evaluation unit can be set up to associate the wavelength assigned to the intensity maximum with a focal plane and thus a coordinate on the optical axis. The coordinate on the optical axis may correspond to a height coordinate of the measurement object. The evaluation unit can be set up to associate the intensity maximum with a chromatically confocal measuring range. An assignment of an intensity maximum to a wavelength and a chromatically confocal measuring range can enable a clear determination of a height coordinate of the measured object. The evaluation unit can be set up to identify the wavelengths of the spectral distribution which have an intensity maximum and to determine a number of these wavelengths in the spectral distribution and thus unambiguously associate a chromatically confocal measuring range with each intensity maximum.
Beispielsweise kann das multifokale optische Element eingerichtet sein, mindestens einen ersten und einen zweiten chromatisch konfokalen Messbereich zu erzeugen, welche sich teilweise überlappen. Auch eine andere Anzahl von chromatisch konfokalen Messbereichen ist möglich. Beispielsweise kann der Beleuchtungslichtstrahl eine erste Wellenlänge, eine zweite Wellenlänge und eine dritte Wellenlänge aufweisen. Die erste, die zweite und die dritte Wellenlänge können jeweils in dem ersten chromatisch konfokalen Messbereich und dem zweiten chromatisch konfokalen Messbereich in eine erste, zweite und dritte Fokusebene fokussiert werden. Die erste, die zweite und die dritte Fokusebene können in dem jeweiligen Messbereich in Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls entlang der optischen Achse hintereinander angeordnet sein, beispielsweise in der genannten Reihenfolge. Der erste chromatisch konfokale Messbereich kann in Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls entlang der optischen Achse vor dem zweiten chromatisch konfokalen Messbereich angeordnet sein. Beispielsweise können sich der erste chromatisch konfokale Messbereich und der zweite chromatisch konfokale Messbereich derart überlappen, dass die Fokusebene der zweiten Wellenlänge des ersten chromatisch konfokalen Messbereichs und die Fokusebene der ersten Wellenlänge des zweiten chromatisch konfokalen Messbereichs zusammenfallen und/oder identisch sind und dass die Fokusebene der dritten Wellenlänge des ersten chromatisch konfokalen Messbereichs und die Fokusebene der zweiten Wellenlänge des zweiten chromatisch konfokalen Messbereichs zusammenfallen und/oder identisch sind. Befindet sich die Oberfläche des Messobjekts in der Fokusebene der ersten Wellenlänge des ersten chromatisch konfokalen Messbereichs, kann das Sensorelement ein einziges Intensitätsmaximum in der Spektralverteilung bei der ersten Wellenlänge detektieren. Die Auswerteeinheit kann dieses Intensitätsmaximum dem ersten chromatisch konfokalen Messbereich zuordnen. Befindet sich die Oberfläche des Messobjekts in der Fokusebene der dritten Wellenlänge des zweiten chromatisch konfokalen Messbereichs, kann das Sensorelement ein einziges Intensitätsmaximum in der Spektralverteilung bei der dritten Wellenlänge detektieren. Die Auswerteeinheit kann dieses Intensitätsmaximum dem zweiten chromatisch konfokalen Messbereich zuordnen. Befindet sich die Oberfläche des Messobjekts in der gemeinsamen Fokusebene der zweiten Wellenlänge des ersten chromatisch konfokalen Messbereichs und der ersten Wellenlänge des zweiten chromatisch konfokalen Messbereichs, kann das Sensorelement zwei Intensitätsmaxima in der Spektralverteilung detektieren. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein die Intensitätsmaxima zu erkennen und jedem Intensitätsmaximum eine Wellenlänge, beispielsweise die erste Wellenlänge oder die zweiten Wellenlänge, und einen chromatisch konfokalen Messbereich, beispielsweise den ersten oder zweiten chromatisch konfokalen Messbereich, zuzuordnen. Beispielsweise kann das Sensorelement zwei Intensitätsmaxima in der Spektralverteilung, ein erstes Intensitätsmaximum bei der ersten Wellenlänge und ein zweites Intensitätsmaximum bei der zweiten Wellenlänge detektieren. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge zu identifizieren und zu bestimmen, dass die Spektralverteilung zwei Intensitätsmaxima aufweist, und so dem ersten Intensitätsmaximum den zweiten chromatisch konfokalen Messbereich und dem zweiten Intensitätsmaximum den ersten chromatisch konfokalen Messbereich zuordnen. Die Auswerteeinheit kann bestimmen, dass sich das Messobjekt in der gemeinsamen Fokusebene der zweiten Wellenlänge des ersten chromatisch konfokalen Messbereichs und der ersten Wellenlänge des zweiten chromatisch konfokalen Messbereichs befindet, und eindeutig eine Höhenkoordinate bestimmen. Eine Überlappung ermöglicht eine eindeutige Zuordnung der Intensitätsmaxima zu den chromatisch konfokalen Messbereichen und so eine eindeutige Bestimmung der Höhenkoordinate. Bei einer getrennten Ausgestaltung der chromatisch konfokalen Messbereiche kann eine eindeutige Zuordnung unter einer Verwendung von mindestens einer Zusatzinformation, beispielsweise eine bekannte Beschaffenheit des Objekts und/oder ein weiteres Messverfahren, möglich sein. For example, the multifocal optical element may be configured to generate at least a first and a second chromatic confocal measurement region, which partially overlap. A different number of chromatically confocal measuring ranges is possible. For example, the illumination light beam may have a first wavelength, a second wavelength, and a third wavelength. The first, the second and the third wavelength can each be focused in the first chromatic confocal measuring range and the second chromatically confocal measuring range into a first, second and third focal plane. The first, the second and the third focal plane can be arranged one behind the other in the respective measuring range in the direction of propagation of the illuminating light beam along the optical axis, for example in the stated sequence. The first chromatically confocal measuring range can be arranged in the propagation direction of the illumination light beam along the optical axis in front of the second chromatically confocal measuring range. For example, the first chromatic confocal measuring range and the second chromatic confocal measuring range may overlap such that the focal plane of the second wavelength of the first chromatic confocal measuring range and the focal plane of the first wavelength of the second chromatic confocal measuring range coincide and / or identical and that the focal plane of the third wavelength of the first chromatic confocal measuring range and the focal plane of the second wavelength of the second chromatic confocal measuring range coincide and / or identical. If the surface of the measurement object is located in the focal plane of the first wavelength of the first chromatically confocal measurement area, the sensor element can detect a single intensity maximum in the spectral distribution at the first wavelength. The evaluation unit can assign this intensity maximum to the first chromatically confocal measuring range. If the surface of the measurement object is located in the focal plane of the third wavelength of the second chromatically confocal measurement area, the sensor element can detect a single intensity maximum in the spectral distribution at the third wavelength. The evaluation unit can assign this intensity maximum to the second chromatically confocal measuring range. If the surface of the measurement object is located in the common focal plane of the second wavelength of the first chromatically confocal measurement area and the first wavelength of the second chromatically confocal measurement area, the sensor element can detect two intensity maxima in the spectral distribution. The evaluation unit can be set up to detect the intensity maxima and to associate with each intensity maximum a wavelength, for example the first wavelength or the second wavelength, and a chromatically confocal measuring range, for example the first or second chromatically confocal measuring range. For example, the sensor element can detect two intensity maxima in the spectral distribution, a first intensity maximum at the first wavelength and a second intensity maximum at the second wavelength. The evaluation unit can be set up to identify the first wavelength and the second wavelength and to determine that the spectral distribution has two intensity maxima, and thus assign the second chromatic confocal measuring range to the first intensity maximum and the first chromatically confocal measuring range to the second intensity maximum. The evaluation unit may determine that the measurement object is located in the common focal plane of the second wavelength of the first chromatic confocal measurement area and the first wavelength of the second chromatic confocal measurement area, and uniquely determine a height coordinate. An overlap allows an unambiguous assignment of the intensity maxima to the chromatically confocal measuring ranges and thus an unambiguous determination of the height coordinate. In a separate embodiment of the chromatically confocal measuring ranges, an unambiguous assignment using at least one additional piece of information, for example a known quality of the object and / or a further measuring method, may be possible.
Der konfokal chromatische Sensor kann mindestens einen Multispotsensor aufweisen. Das Sensorelement kann eingerichtet sein, eine Vielzahl von Detektionslichtstrahlen zu detektieren. Beispielsweise kann das Sensorelement eine Vielzahl von Pixeln aufweisen. The confocal chromatic sensor may include at least one multi-spot sensor. The sensor element may be configured to detect a plurality of detection light beams. For example, the sensor element may have a multiplicity of pixels.
Der konfokal chromatische Sensor kann ein Array von chromatisch konfokalen Strahlengängen aufweisen. Der konfokal chromatische Sensor kann eine Vielzahl von Beleuchtungslichtstrahlen aufweisen. Beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet sein, eine Vielzahl von Beleuchtungslichtstrahlen zu erzeugen. Beispielsweise kann das erste Blendenelement eingerichtet sein, einen von der Beleuchtungsvorrichtung erzeugten Lichtstrahl in eine Vielzahl von Beleuchtungslichtstrahlen aufzuteilen, beispielsweise unter Verwendung mindestens eines Blendensystems. Das multifokale optische Element kann eingerichtet sein, die Beleuchtungslichtstrahlen in verschiedene Ebenen, insbesondere in verschiedene Ebenden parallel zu der optischen Achse, zu fokussieren. Das multifokale optische Element kann eingerichtet sein, die chromatisch konfokalen Messbereiche entlang der optischen Achse hintereinander und in verschiedenen Ebenen parallel zur optischen Achse anzuordnen. The confocal chromatic sensor may include an array of chromatically confocal optical paths. The confocal chromatic sensor may include a plurality of illumination light beams. For example, the lighting device may be configured to generate a plurality of illumination light beams. For example, the first diaphragm element can be set up to divide a light beam generated by the illumination device into a plurality of illumination light beams, for example using at least one diaphragm system. The multifocal optical element may be configured to focus the illumination light beams in different planes, in particular in different planes parallel to the optical axis. The multifocal optical element can be set up to arrange the chromatically confocal measuring areas along the optical axis one behind the other and in different planes parallel to the optical axis.
Beispielsweise kann das multifokale optische Element eingerichtet sein, mindestens zwei Beleuchtungslichtstrahlen in mindestens zwei verschiedene Ebenden parallel zu der optischen Achse zu fokussieren und jeweils mindestens zwei hintereinanderliegende chromatisch konfokale Messbereiche zu erzeugen, insbesondere zwei sich zumindest teilweise überlappende chromatisch konfokale Messbereiche. Beispielsweise kann das multifokale optische Element eingerichtet sein, mindestens zwei Beleuchtungslichtstrahlen in mindestens zwei verschiedene Ebenen parallel zu der optischen Achse zu fokussieren und jeweils einen chromatisch konfokalen Messbereich zu erzeugen. Die chromatisch konfokalen Messbereiche der mindestens zwei Beleuchtungslichtstrahlen können, beispielsweise in verschiedenen Ebenen parallel zur optischen Achse, entlang der optischen Achse als hintereinanderliegende, getrennte oder teilweise überlappende Messbereiche ausgestaltet sein. Die chromatisch konfokalen Messbereiche können getrennt oder teilweise überlappend angeordnet sein. Eine Überlappung ermöglicht eine eindeutige Zuordnung der Intensitätsmaxima zu den chromatisch konfokalen Messbereichen und so eine eindeutige Bestimmung der Höhenkoordinate. Bei einer getrennten Ausgestaltung der chromatisch konfokalen Messbereiche kann eine eindeutige Zuordnung unter einer Verwendung von mindestens einer Zusatzinformationen, beispielsweise eine bekannte Beschaffenheit des Objekts, möglich sein.For example, the multifocal optical element may be arranged, at least two Focusing illumination light beams in at least two different Ebenden parallel to the optical axis and to generate at least two consecutive chromatic confocal measuring ranges, in particular two at least partially overlapping chromatic confocal measuring ranges. By way of example, the multifocal optical element can be set up to focus at least two illumination light beams in at least two different planes parallel to the optical axis and in each case to generate a chromatically confocal measuring range. The chromatically confocal measuring ranges of the at least two illumination light beams can be configured, for example, in different planes parallel to the optical axis, along the optical axis as separate, partially overlapping measuring ranges lying one behind the other. The chromatically confocal measuring ranges can be arranged separately or partially overlapping. An overlap allows an unambiguous assignment of the intensity maxima to the chromatically confocal measuring ranges and thus an unambiguous determination of the height coordinate. In a separate embodiment of the chromatically confocal measuring ranges, an unambiguous assignment using at least one additional information, for example a known quality of the object, may be possible.
Das erste Blendenelement und das zweite Blendenelement können mindestens ein Blendensystem aufweisen. Das Blendensystem kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens zwei Blenden; einer Blendenstruktur; einer Maskenstruktur, insbesondere Chrommasken, welche auf einem mindestens teilweise transparenten Körper angeordnet sind. Beispielsweise kann eine Blendenstruktur auf einen transparenten Körper aufgebracht werden. Beispielsweise können absorbierende Schichten auf den transparenten Körper aufgebracht sein, welche mindestens eine Öffnung aufweisen. Beispielsweise können Chrommasken auf den transparenten Körper, beispielsweise eine Glasplatte, aufgebracht werden. Die Detektionslichtstrahlen können durch in mehreren Ebenen, insbesondere in verschiedene Ebenen parallel zu der optischen Achse, angeordnete Blendenelemente beobachtet werden. Das Sensorelement kann eingerichtet sein, die Spektralverteilung der Detektionslichtstrahlen zu bestimmen. Beispielsweise kann für jeden Detektionslichtstrahl mindestens ein Spektrometer-Areal vorgesehen sein.The first diaphragm element and the second diaphragm element can have at least one diaphragm system. The aperture system may be selected from the group consisting of: at least two apertures; a diaphragm structure; a mask structure, in particular chrome masks, which are arranged on an at least partially transparent body. For example, a diaphragm structure can be applied to a transparent body. For example, absorbent layers can be applied to the transparent body, which have at least one opening. For example, chrome masks can be applied to the transparent body, for example a glass plate. The detection light beams can be observed by diaphragm elements arranged in several planes, in particular in different planes parallel to the optical axis. The sensor element may be configured to determine the spectral distribution of the detection light beams. For example, at least one spectrometer area can be provided for each detection light beam.
In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung von Koordinaten mindestens eines Messobjekts vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- – Erzeugen mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls mit mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung;
- – Beleuchten des Messobjekts durch mindestens eine erstes Blendenelement;
- – Detektieren mindestens eines vom Messobjekt ausgehenden Detektionslichtstrahls mit mindestens einem Sensorelement, wobei mindestens ein zweites Blendenelement in einer Ausbreitungsrichtung des Detektionslichtstrahls vor dem Sensorelement angeordnet ist;
- – Bestimmen mindestens einer Spektralverteilung;
- – Erzeugen mindestens zweier in einer Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls hintereinanderliegender chromatisch konfokaler Messbereiche mit mindestens einem multifokalen optischen Element;
- – Bestimmen einer Höhenkoordinate des Messobjekts aus der Spektralverteilung mit mindestens einer Auswerteeinheit.
- Generating at least one illumination light beam with at least one illumination device;
- - Illuminating the test object by at least a first diaphragm element;
- Detecting at least one detection light beam emanating from the measurement object with at least one sensor element, wherein at least one second diaphragm element is arranged in front of the sensor element in a propagation direction of the detection light beam;
- Determining at least one spectral distribution;
- Generating at least two chromatic confocal measuring ranges lying one behind the other in a direction of propagation of the illuminating light beam with at least one multifocal optical element;
- - Determining a height coordinate of the measurement object from the spectral distribution with at least one evaluation unit.
Hierbei können die Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden. In dem Verfahren kann ein erfindungsgemäßer konfokal chromatischer Sensor verwendet werden. Für Einzelheiten in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren wird auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen konfokal chromatischen Sensors verwiesen.In this case, the method steps can be carried out in the order indicated, wherein one or more of the steps can be carried out at least partially simultaneously and wherein one or more of the steps can be repeated several times. In addition, further steps, whether mentioned in the present application or not, may be additionally performed. In the method, a confocal chromatic sensor according to the invention can be used. For details relating to the method according to the invention, reference is made to the description of the confocal chromatic sensor according to the invention.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen vorteilhaft. Eine Vergrößerung des Messbereichs chromatisch konfokaler Sensoren kann ohne Auflösungsverlust und ohne Bewegung mechanischer Teile ermöglicht werden. Gleichzeitig kann eine Telezentrie, bzw. Perspektive, erhalten bleiben. Weiter kann eine Verwendung eines Multispotsensors eine Dickenvermessung transparenter Körper oder Vermessung von Stufenendmaßen ermöglichen.The device according to the invention and the method according to the invention are advantageous over known methods and devices. An enlargement of the measuring range of chromatically confocal sensors can be made possible without loss of resolution and without movement of mechanical parts. At the same time, a telecentricity or perspective can be maintained. Further, use of a multi-spot sensor may allow for thickness measurement of transparent bodies or measurement of step gauges.
Zusammenfassend sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgende Ausführungsformen besonders bevorzugt:
Ausführungsform 1: Konfokal chromatischer Sensor zur Bestimmung von Koordinaten mindestens eines Messobjekts umfassend
- – mindestens ein erstes Blendenelement;
- – mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung, welche eingerichtet ist, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und das Messobjekt durch das erste Blendenelement hindurch zu beleuchten;
- – mindestens ein Sensorelement, wobei das Sensorelement eingerichtet ist, mindestens einen vom Messobjekt ausgehenden Detektionslichtstrahl zu detektieren und mindestens eine Spektralverteilung zu bestimmen;
- – mindestens ein zweites Blendenelement, welches in einer Ausbreitungsrichtung des Detektionslichtstrahls vor dem Sensorelement angeordnet ist;
- – mindestens ein multifokales optisches Element, welches eingerichtet ist, mindestens zwei in einer Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls hintereinanderliegende chromatisch konfokale Messbereiche zu erzeugen;
- – mindestens eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist, aus der Spektralverteilung eine Höhenkoordinate des Messobjekts zu bestimmen.
Embodiment 1: Confocal chromatic sensor for determining coordinates of at least one measurement object
- - At least a first panel member;
- - At least one lighting device which is adapted to generate at least one illumination light beam and the measurement object to illuminate through the first aperture element;
- At least one sensor element, wherein the sensor element is set up to detect at least one detection light beam emanating from the measurement object and to determine at least one spectral distribution;
- - At least a second diaphragm element, which is arranged in a propagation direction of the detection light beam in front of the sensor element;
- At least one multifocal optical element which is set up to generate at least two chromatically confocal measuring ranges arranged one after the other in a propagation direction of the illuminating light beam;
- At least one evaluation unit, which is set up to determine a height coordinate of the measured object from the spectral distribution.
Ausführungsform 2: Konfokal chromatischer Sensor nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das multifokale optische Element ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einer Bifokallinse; mindestens einer Multifokallinse. Embodiment 2: A confocal chromatic sensor according to the preceding embodiment, wherein the multifocal optical element is selected from the group consisting of: at least one bifocal lens; at least one multifocal lens.
Ausführungsform 3: Konfokal chromatischer Sensor nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das multifokale optische Element ein multifokales optisches Element mit chromatischer Aberration ist. Embodiment 3: A confocal chromatic sensor according to any one of the preceding embodiments, wherein the multifocal optical element is a multifocal optical element having chromatic aberration.
Ausführungsform 4: Konfokal chromatischer Sensor nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das multifokale optische Element eingerichtet ist, Anteile des Beleuchtungslichtstrahls mit verschiedener Wellenlänge jeweils in mindestens zwei Fokusebenen entlang einer optischen Achse zu fokussieren.Embodiment 4: Confocal chromatic sensor according to the foregoing embodiment, wherein the multifocal optical element is arranged to focus portions of the illumination light beam having different wavelengths in at least two focal planes along an optical axis, respectively.
Ausführungsform 5: Konfokal chromatischer Sensor nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei ein Abstand der Fokusebenen kleiner als ein durch ein Spektrum der Beleuchtungsvorrichtung definierter Messbereich ist. Embodiment 5: Confocal chromatic sensor according to the previous embodiment, wherein a distance of the focal planes is smaller than a measuring range defined by a spectrum of the illumination device.
Ausführungsform 6: Konfokal chromatischer Sensor nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die chromatisch konfokalen Messbereiche aufeinanderfolgend oder zumindest teilweise überlappend sind.Embodiment 6: Confocal chromatic sensor according to one of the preceding embodiments, wherein the chromatically confocal measuring ranges are consecutive or at least partially overlapping.
Ausführungsform 7: Konfokal chromatischer Sensor nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das multifokale optische Element eine Linsengruppe und/oder ein Linsensystem umfasst. Embodiment 7: Confocal chromatic sensor according to one of the preceding embodiments, wherein the multifocal optical element comprises a lens group and / or a lens system.
Ausführungsform 8: Konfokal chromatischer Sensor nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der konfokale chromatische Sensor mindestens eine Transfervorrichtung aufweist.Embodiment 8: Confocal chromatic sensor according to one of the preceding embodiments, wherein the confocal chromatic sensor has at least one transfer device.
Ausführungsform 9: Konfokal chromatischer Sensor nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Spektralverteilung eine Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von einer Wellenlänge umfasst. Embodiment 9: Confocal chromatic sensor according to one of the preceding embodiments, wherein the spectral distribution comprises an intensity distribution as a function of a wavelength.
Ausführungsform 10: Konfokal chromatischer Sensor nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Sensorelement ein spektral auflösender Detektor ist.Embodiment 10: Confocal chromatic sensor according to one of the preceding embodiments, wherein the sensor element is a spectrally resolving detector.
Ausführungsform 11: Konfokal chromatischer Sensor nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Beleuchtungsvorrichtung mindestens eine polychromatische Lichtquelle und/oder mindestens eine Weißlichtquelle aufweist.Embodiment 11: Confocal chromatic sensor according to one of the preceding embodiments, wherein the illumination device has at least one polychromatic light source and / or at least one white light source.
Ausführungsform 12: Konfokal chromatischer Sensor nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Lichtquelle eine breite und gleichmäßig verteilte spektrale Dichte aufweist. Embodiment 12: Confocal chromatic sensor according to the previous embodiment, wherein the light source has a broad and evenly distributed spectral density.
Ausführungsform 13: Konfokal chromatischer Sensor nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, um mindestens ein Intensitätsmaximum der Spektralverteilung zu bestimmen.Embodiment 13: Confocal chromatic sensor according to one of the preceding embodiments, wherein the evaluation unit is set up to determine at least one intensity maximum of the spectral distribution.
Ausführungsform 14: Konfokal chromatischer Sensor nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet ist, um dem Intensitätsmaximum eine Wellenlänge zuzuordnen.Embodiment 14: Confocal chromatic sensor according to the preceding embodiment, wherein the control and evaluation unit is set up to assign a wavelength to the intensity maximum.
Ausführungsform 15: Konfokal chromatischer Sensor nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, um dem Intensitätsmaximum einen chromatisch konfokalen Messbereich zuzuordnen.Embodiment 15: Confocal chromatic sensor according to one of the two preceding embodiments, wherein the evaluation unit is set up in order to associate the intensity maximum with a chromatically confocal measuring range.
Ausführungsform 16: Konfokal chromatischer Sensor nach einer der drei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, Wellenlängen der Spektralverteilung, welche ein Intensitätsmaximum aufweisen, zu identifizieren und eine Anzahl dieser Wellenlängen in der Spektralverteilung zu bestimmen und so jedem Intensitätsmaximum einen chromatisch konfokalen Messbereich eindeutig zu zuordnen.Embodiment 16: Confocal chromatic sensor according to one of the three preceding embodiments, wherein the evaluation unit is set up to identify wavelengths of the spectral distribution which have an intensity maximum and to determine a number of these wavelengths in the spectral distribution and thus unambiguously assign a chromatic confocal measuring range to each intensity maximum assign.
Ausführungsform 17: Konfokal chromatischer Sensor nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der konfokal chromatische Sensor mindestens einen Multispotsensor aufweist.Embodiment 17: Confocal chromatic sensor according to one of the preceding embodiments, wherein the confocal chromatic sensor has at least one multi-spot sensor.
Ausführungsform 18: Konfokal chromatischer Sensor nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der konfokal chromatische Sensor ein Array von konfokalen Strahlengängen aufweist.Embodiment 18: Confocal chromatic sensor according to the previous embodiment, wherein the confocal chromatic sensor comprises an array of confocal optical paths.
Ausführungsform 19: Konfokal chromatischer Sensor nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das erste Blendenelement und das zweite Blendenelement mindestens ein Blendensystem aufweisen, wobei das Blendensystem ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: mindestens zwei Blenden; einer Maskenstruktur. Embodiment 19: A confocal chromatic sensor according to one of the two preceding embodiments, wherein the first diaphragm element and the second diaphragm element have at least one diaphragm system, wherein the diaphragm system is selected from the group consisting of: at least two diaphragms; a mask structure.
Ausführungsform 20: Verfahren zur Bestimmung von Koordinaten mindestens eines Messobjekts, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- – Erzeugen mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls mit mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung;
- – Beleuchten des Messobjekts durch mindestens eine erstes Blendenelement;
- – Detektieren mindestens eines vom Messobjekt ausgehenden Detektionslichtstrahls mit mindestens einem Sensorelement, wobei mindestens ein zweites Blendenelement in einer Ausbreitungsrichtung des Detektionslichtstrahls vor dem Sensorelement angeordnet ist;
- – Bestimmen mindestens einer Spektralverteilung;
- – Erzeugen mindestens zweier in einer Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls hintereinanderliegender chromatisch konfokaler Messbereiche mit mindestens einem multifokalen optischen Element;
- – Bestimmen einer Höhenkoordinate des Messobjekts aus der Spektralverteilung mit mindestens einer Auswerteeinheit.
- Generating at least one illumination light beam with at least one illumination device;
- - Illuminating the test object by at least a first diaphragm element;
- Detecting at least one detection light beam emanating from the measurement object with at least one sensor element, wherein at least one second diaphragm element is arranged in front of the sensor element in a propagation direction of the detection light beam;
- Determining at least one spectral distribution;
- Generating at least two chromatic confocal measuring ranges lying one behind the other in a direction of propagation of the illuminating light beam with at least one multifocal optical element;
- - Determining a height coordinate of the measurement object from the spectral distribution with at least one evaluation unit.
Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Further details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, in particular in conjunction with the subclaims. In this case, the respective features can be implemented on their own or in combination with one another. The invention is not limited to the embodiments. The embodiments are shown schematically in the figures. The same reference numerals in the individual figures designate the same or functionally identical or with respect to their functions corresponding elements.
Im Einzelnen zeigen:In detail show:
Ausführungsbeispieleembodiments
Der konfokal chromatische Sensor
Die Beleuchtungsvorrichtung
Der konfokal chromatische Sensor
Der konfokal chromatische Sensor
Für eine Wellenlänge λ des Beleuchtungslichtstrahls
Der konfokale chromatische Sensor
Das multifokale optische Element
Der konfokal chromatische Sensor
Die Auswerteeinheit
In dem in
In dem in
In dem in
Der konfokal chromatische Sensor
Der konfokale chromatische Sensor
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 110110
- Konfokal chromatischer Sensor Confocal chromatic sensor
- 112112
- Messobjekt measurement object
- 114114
- Erstes Blendenelement First panel element
- 116116
- Beleuchtungsvorrichtung lighting device
- 118118
- Beleuchtungslichtstrahl Illuminating light beam
- 120120
- Sensorelement sensor element
- 122122
- Detektionslichtstrahl Detection light beam
- 124124
- zweites Blendenelement second aperture element
- 126126
- Ausbreitungsrichtung des Detektionslichtstrahls Propagation direction of the detection light beam
- 128128
- Erste Wellenlänge First wavelength
- 130130
- Zweite Wellenlänge Second wavelength
- 132132
- Dritte Wellenlänge Third wavelength
- 134134
- Multifokales optisches Element Multifocal optical element
- 136136
- Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls Propagation direction of the illumination light beam
- 138138
- Chromatisch konfokaler Messbereich Chromatic confocal measuring range
- 140140
- Optische Achse Optical axis
- 142142
- Erster chromatisch konfokaler Messbereich First chromatic confocal measuring range
- 144144
- Erste Fokusebene First focal plane
- 146146
- Zweite Fokusebene Second focal plane
- 148148
- Dritte Fokusebene Third focal plane
- 150150
- Zweiter chromatisch konfokaler Messbereich Second chromatic confocal measuring range
- 152152
- Vierte Fokusebene Fourth focal plane
- 154154
- Fünfte Fokusebene Fifth focal plane
- 156156
- Sechste Fokusebene Sixth focal plane
- 158158
- Auswerteeinheit evaluation
- 160160
- Erstes Intensitätsmaximum First intensity maximum
- 162162
- Zweites Intensitätsmaximum Second intensity maximum
- 164164
- Multispotsensor Multi-spot sensor
- 166166
- Blendensystem aperture system
- 168168
- Fokusebene focal plane
- 170170
- Transfervorrichtung transfer device
- 172172
- Weitere Transfervorrichtung Further transfer device
- 174174
- Transparenter Körper Transparent body
- 176176
- Absorbierende Schicht Absorbing layer
- 178178
- Öffnung opening
Claims (11)
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-
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Chromatisch-konfokale Abstandsmessung. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 9. November 2012, 13:50 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Chromatisch-konfokale_Abstandsmessung&oldid=110299437 [abgerufen am 23.01.2018] * |
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