Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor für ein Koordinatenmessgerät sowie ein Beleuchtungsmodul für einen solchen optischen Sensor und ein Verfahren zur Vermessung von Innengewinden oder Bohrlöchern eines Werkstücks mittels dem optischen Sensor bzw. Beleuchtungsmodul.The invention relates to an optical sensor for a coordinate measuring machine and a lighting module for such an optical sensor and a method for measuring internal threads or boreholes of a workpiece by means of the optical sensor or lighting module.
Als optische Sensoren für die berührungslose Erfassung von Koordinaten eines Werkstücks sind neben der visuellen Erfassung mittels CCD- oder CMOS-Kameras auch konfokale chromatische Sensoren (siehe hierzu zum Beispiel die Offenlegungsschrift DE 10 2006 007 170 A1 ), konoskopische Sensoren, Abstandssensoren mit Foucault'scher Schneide, konfokale Mikroskope sowie Sensoren bekannt, die auf den Messprinzipien der Fokusvariation, der Streifenprojektion (siehe hierzu zum Beispiel die Offenlegungsschrift DE 10 2011 014 779 A1 , welche die Erzeugung von Streifenmustern mittels einer Freiformoptik offenbart), der klassischen Triangulation (siehe hierzu zum Beispiel die Gebrauchsmusterschrift DE 20 2012 104 074 U1 , welche die Erzeugung eines Projektionsmusters mittels eines Mikrospiegelarrays offenbart), der Photogrammetrie, der klassischen Interferometrie sowie auf der Weißlichtinterferometrie beruhen. Ein Koordinatenmessgerät mit einem optischen Sensor basierend auf der Weißlichtinterferometrie ist zum Beispiel aus dem Patent DE 103 92 656 B4 oder aus der Veröffentlichung US 2010/0312524 A1 bekannt. Die Weißlichtinterferometrie ist dabei auf dem Gebiet des Maschinenbaus zur Vermessung von reflektierenden Oberflächen als optisches Kohärenzradar und auf medizinischem Gebiet zur Vermessung von weichen Gewebevolumen als optische Kohärenztomographie (optical coherence tomography, OCT) bekannt. Ferner ist die Vermessung von rauen Oberflächen mittels des optischen Kohärenzradars als eine Spezialform der Speckle-Interferometrie bekannt, siehe Dresel et al. „Three-dimentional sensing of rough surfaces by coherence radar“ APPLIED OPTICS, Vol. 31, No. 7, March 1992, P. 919-925 .As optical sensors for the contactless detection of coordinates of a workpiece, in addition to visual detection using CCD or CMOS cameras, confocal chromatic sensors are also used (see, for example, the laid-open specification DE 10 2006 007 170 A1 ), conoscopic sensors, distance sensors with Foucault's cutting edge, confocal microscopes and sensors are known which are based on the measurement principles of focus variation, fringe projection (see, for example, the laid-open specification DE 10 2011 014 779 A1 , which reveals the creation of stripe patterns by means of free-form optics), the classic triangulation (see for example the utility model specification DE 20 2012 104 074 U1 which discloses the generation of a projection pattern using a micromirror array), photogrammetry, classic interferometry and white light interferometry. A coordinate measuring machine with an optical sensor based on white light interferometry is for example from the patent DE 103 92 656 B4 or from the publication US 2010/0312524 A1 known. White light interferometry is known in the field of mechanical engineering for measuring reflective surfaces as optical coherence radar and in the medical field for measuring soft tissue volumes as optical coherence tomography (OCT). Furthermore, the measurement of rough surfaces by means of the optical coherence radar is known as a special form of speckle interferometry, see Dresel et al. "Three-dimentional sensing of rough surfaces by coherence radar" APPLIED OPTICS, Vol. 31, No. 7, March 1992, pp. 919-925 .
Der Vermessung von Innenwänden von Bohrlöchern mittels der Weißlichtinterferometrie widmet sich die Veröffentlichung DE 10 2004 012 426 A1 . Dabei wird ein Periskop bzw. ein Umlenkspiegel dazu genutzt, den Fokus bzw. die Fokuszone des Weißlichtinterferometers auf einen Punkt bzw. einen Bereich mit kleiner lateraler Ausdehnung der Innenwand zu lenken, um den Abstand dieses Punktes bzw. Bereichs der Innenwand zu messen. Nachteilig ist jedoch, dass zur vollständigen Vermessung nur einer Höhenlinie der Innenwand das Periskop bzw. der Umlenkspiegel sukzessive in verschiedene Drehpositionen um insgesamt 360° gedreht und pro Drehposition jeweils ein Messpunkt aufgenommen werden muss. Dies führt zu einer großen Zeitspanne für die vollständige Vermessung einer oder mehrere Höhenlinien der Innenwand eines Bohrlochs oder eines Innengewindes.The publication is devoted to the measurement of the inner walls of boreholes using white light interferometry DE 10 2004 012 426 A1 . A periscope or a deflecting mirror is used to direct the focus or the focal zone of the white light interferometer to a point or an area with a small lateral extent of the inner wall in order to measure the distance from this point or area of the inner wall. However, it is disadvantageous that for complete measurement of only one contour line of the inner wall, the periscope or the deflecting mirror must be successively rotated through a total of 360 ° into different rotational positions and one measuring point must be recorded for each rotational position. This leads to a long period of time for the complete measurement of one or more contour lines of the inner wall of a borehole or of an internal thread.
Die gleichzeitige Erfassung ganzer Höhenlinien von Innenwänden von Bohrlöchern ist im Zusammenhang mit der 5 des Patents US 4,453,082 A mittels eines rotationssymmetrischen Parabolspiegels für einen konfokalen Sensor offenbart. Nachteilig ist jedoch, dass der durch den Parabolspiegel erzeugte vollständige Fokusring in seinem Durchmesser durch die festgelegte Form des Parabolspiegels nicht variabel ist und so für verschiedene Bohrlochdurchmesser verschiedene Sensoren mit unterschiedlichen Parabolspiegeln genutzt werden müssen.The simultaneous recording of entire contour lines of inner walls of boreholes is related to the 5 of the patent U.S. 4,453,082 A disclosed by means of a rotationally symmetrical parabolic mirror for a confocal sensor. However, it is disadvantageous that the diameter of the complete focus ring generated by the parabolic mirror cannot be varied due to the fixed shape of the parabolic mirror and so different sensors with different parabolic mirrors have to be used for different borehole diameters.
Dieses Problem der Fokusvariation löst die Veröffentlichung EP 2 093 536 A1 dadurch, dass statt eines Parabolspiegels ein Konus genutzt wird und die Erzeugung des Fokusrings durch die Erzeugung bzw. Nutzung von ausschließlich zur optischen Achse geneigter Lichtstahlen herbeigeführt wird. Dabei werden in dem Ausführungsbeispiel zur 1 der genannten Veröffentlichung zwei Blenden zur Auswahl ausschließlich zur optischen Achse geneigter Lichtstrahlen und in dem Ausführungsbeispiel zur 11 ein Axikon zur Erzeugung ausschließlich zur optischen Achse geneigter Lichtstrahlen verwendet. Durch diese Schrägstellung der Lichtstrahlen zur optischen Achse wird gewährleistet, dass diese Lichtstrahlen auf einer Seite des Konus einen Fokus bilden und dass nach der Reflektion an der Innenwand eines Bohrlochs diese Lichtstrahlen auch auf der gleichen Seite des Konus zu einem Detektor zurücklaufen können. Ohne diese Schrägstellung würden die an der Innenwand reflektierten Strahlen auf dem Rückweg nicht mehr den Konus treffen. Dies ist der Grund, warum in vielen Dokumenten des Standes der Technik, welche in der Regel parallel zur optischen Achse ausgerichtetes Licht für eine Fokussierung durch eine Linse nutzen, ein Umlenkspiegel bzw. Periskop nach der Linse zum Umlenken des Fokuspunkts verwendet wird, da bei diesen Elementen sichergestellt ist, dass sowohl die zur Innenwand bzw. dem Fokus hinlaufenden Strahlen als auch die zurückkommenden reflektierten Strahlen durch den Umlenkspiegel bzw. das Periskop vollständig erfasst werden.The publication solves this problem of focus variation EP 2 093 536 A1 in that a cone is used instead of a parabolic mirror and the generation of the focus ring is brought about by the generation or use of light beams inclined exclusively to the optical axis. In the exemplary embodiment for 1 of the publication mentioned two diaphragms for the selection of light beams inclined exclusively to the optical axis and in the exemplary embodiment for 11 an axicon is used to generate light rays inclined exclusively to the optical axis. This inclination of the light rays to the optical axis ensures that these light rays form a focus on one side of the cone and that after reflection on the inner wall of a borehole, these light rays can also return to a detector on the same side of the cone. Without this inclination, the rays reflected on the inner wall would no longer hit the cone on their way back. This is the reason why in many documents of the prior art, which as a rule use light aligned parallel to the optical axis for focusing through a lens, a deflecting mirror or periscope is used after the lens to deflect the focal point, since these Elements ensures that both the rays going to the inner wall or the focus and the returning reflected rays are completely captured by the deflecting mirror or the periscope.
Die Anpassung an verschiedene Bohrlochdurchmesser wird in der Veröffentlichung EP 2 093 536 A1 dadurch realisiert, dass der Abstand des Konus vom restlichen Sensor veränderbar ist. Hierzu ist es allerdings notwendig, den Konus und / oder das zugehörige Gehäuse, in das der Konus eingebettet ist, zu bewegen. Hierdurch müssen einerseits relativ große Massen bewegt werden und es muss andererseits die Bewegung des Konus sehr präzise kontrolliert werden. Die großen Massen führen zu einer Erhöhung der notwendigen Mess- bzw. Umrüstzeit für unterschiedliche Bohrlochdurchmesser oder für Bohrlöcher mit größeren Durchmesserschwankungen, wie sie zum Beispiel bei Innengewinden gegeben sind. Die Ungenauigkeit in der Bewegung des Konus führt zu einer reduzierten Messgenauigkeit sobald der Konus im Rahmen einer Messung bewegt werden muss.The adaptation to different borehole diameters is described in the publication EP 2 093 536 A1 realized in that the distance between the cone and the rest of the sensor can be changed. For this, however, it is necessary to move the cone and / or the associated housing in which the cone is embedded. As a result, on the one hand, relatively large masses have to be moved and, on the other hand, the movement of the cone has to be controlled very precisely. The great masses lead to an increase in the necessary measuring or retooling time for different borehole diameters or for boreholes with larger diameter fluctuations, such as those that occur with internal threads. The inaccuracy in the movement of the cone leads to a reduced measurement accuracy as soon as the cone has to be moved during a measurement.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Sensor bzw. ein Beleuchtungsmodul für ein Koordinatenmessgerät zur Vermessung von Bohrlöchern oder Innengewinden anzugeben, der bzw. das gegenüber dem Stand der Technik eine hohe absolute Messgenauigkeit und eine reduzierte Vermessungszeit für die vollständige Erfassung der Koordinaten von Innenwänden eines Bohrlochs mit größeren Durchmesserschwankungen, insbesondere eines Innengewindes erlaubt.The object of the present invention is therefore to provide a sensor or a lighting module for a coordinate measuring machine for measuring boreholes or internal threads which, compared to the prior art, has a high absolute measuring accuracy and a reduced measuring time for the complete detection of the coordinates of internal walls a borehole with larger diameter fluctuations, in particular an internal thread.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen optischen Sensor umfassend mindestens eine Lichtquelle und mindestens einen Detektor sowie optische Elemente zur Führung des Lichts einerseits auf dem Hinweg von der mindestens einen Lichtquelle auf die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks und andererseits auf dem Rückweg von der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks zu dem mindestens einen Detektor, wobei einige der genannten optischen Elemente sowohl für die Strahlführung auf dem Hinweg als auch für die Strahlführung auf dem Rückweg genutzt werden und wobei mindestens eines dieser genannten optischen Elemente ein Umlenkelement ist, das auf dem Hinweg für eine Umlenkung des Lichts auf die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks und auf dem Rückweg für eine Umlenkung des Lichts zu dem mindestens einen Detektor sorgt, wobei auf dem Hinweg durch das Umlenkelement der Fokusbereich des Sensors zumindest teilweise bogenförmig ausgebildet wird und wobei der mindestens eine Detektor flächenmäßig zur Erfassung von Intensitätssignalen von Licht aus diesem zumindest teilweise bogenförmigen Fokusbereich ausgebildet ist, wobei ein diffraktives optisches Element und / oder ein optisches Element mit einer Freiformoberfläche zumindest auf dem Hinweg des Lichts zur Oberfläche des Werkstücks zwischen der mindestens einen Lichtquelle und der Oberfläche des Werkstücks angeordnet ist, wobei zwischen der mindestens einen Lichtquelle und dem diffrativen optischen Element und / oder dem optischen Element mit der Freiformoberfläche ein bewegliches und / oder veränderbares optisches Element angeordnet ist und wobei mit Hilfe des beweglichen und / oder veränderbaren optischen Elements der Auftreffort des Lichts auf dem diffraktiven optischen Element und / oder dem optischen Element mit der Freiformoberfläche zumindest auf dem Hinweg von der mindestens einen Lichtquelle zu der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks derart verändert werden kann, dass die zur Vermessung vorgesehenen Teilbereiche der Oberfläche des Werkstücks in den Fokusbereich des Sensors gelangen.This object is achieved by an optical sensor comprising at least one light source and at least one detector as well as optical elements for guiding the light on the one hand on the way there from the at least one light source to the surface of the workpiece to be measured and on the other hand on the way back from the surface of the workpiece to be measured Workpiece to the at least one detector, wherein some of the said optical elements are used both for the beam guidance on the outward path and for the beam guidance on the return path and at least one of these optical elements is a deflection element that is used on the outward path for a deflection of the Light onto the surface of the workpiece to be measured and on the way back ensures a deflection of the light to the at least one detector, the focus area of the sensor being at least partially arcuate on the way there through the deflecting element and the at least one detector in terms of surface area g is designed to detect intensity signals of light from this at least partially arcuate focus area, a diffractive optical element and / or an optical element with a free-form surface at least on the way of the light to the surface of the workpiece between the at least one light source and the surface of the workpiece is arranged, wherein a movable and / or changeable optical element is arranged between the at least one light source and the difffrative optical element and / or the optical element with the free-form surface and with the help of the movable and / or changeable optical element the point of incidence of the light the diffractive optical element and / or the optical element with the free-form surface can be changed at least on the way from the at least one light source to the surface of the workpiece to be measured in such a way that the subregions provided for the measurement He the surface of the workpiece come into the focus area of the sensor.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Beleuchtungsmodul für einen optischen Sensor zur Erfassung von Oberflächenkoordinaten eines Werkstücks mittels eines Koordinatenmessgeräts umfassend mindestens eine Lichtquelle sowie optische Elemente zur Führung des Lichts einerseits auf dem Hinweg von der mindestens einen Lichtquelle auf die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks und andererseits auf dem Rückweg von der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks zu mindestens einem Detektor des optischen Sensors, wobei einige der genannten optischen Elemente sowohl für die Strahlführung auf dem Hinweg als auch für die Strahlführung auf dem Rückweg genutzt werden und wobei mindestens eines dieser genannten optischen Elemente ein Umlenkelement ist, das auf dem Hinweg für eine Umlenkung des Lichts auf die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks und auf dem Rückweg für eine Umlenkung des Lichts zu dem mindestens einen Detektor sorgt, wobei auf dem Hinweg durch das Umlenkelement der Fokusbereich des Beleuchtungsmoduls bzw. Sensors zumindest teilweise bogenförmig ausgebildet wird, wobei ein diffraktives optisches Element und / oder ein optisches Element mit einer Freiformoberfläche zumindest auf dem Hinweg des Lichts zur Oberfläche des Werkstücks zwischen der mindestens einen Lichtquelle und der Oberfläche des Werkstücks angeordnet ist, wobei zwischen der mindestens einen Lichtquelle und dem diffrativen optischen Element und / oder dem optischen Element mit der Freiformoberfläche ein bewegliches und / oder veränderbares optisches Element angeordnet ist und wobei mit Hilfe des beweglichen und / oder veränderbaren optischen Elements der Auftreffort des Lichts auf dem diffraktiven optischen Element und / oder dem optischen Element mit der Freiformoberfläche zumindest auf dem Hinweg von der mindestens einen Lichtquelle zu der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks derart verändert werden kann, dass die zur Vermessung vorgesehenen Teilbereiche der Oberfläche des Werkstücks in den Fokusbereich des Beleuchtungsmoduls gelangen.Furthermore, the object is achieved by a lighting module for an optical sensor for detecting surface coordinates of a workpiece by means of a coordinate measuring device comprising at least one light source and optical elements for guiding the light on the one hand on the way from the at least one light source to the surface of the workpiece to be measured and on the other on the way back from the surface of the workpiece to be measured to at least one detector of the optical sensor, some of the said optical elements being used both for beam guidance on the outward path and for beam guidance on the return path, and at least one of said optical elements being used A deflection element which ensures on the way there for a deflection of the light onto the surface of the workpiece to be measured and on the way back for a deflection of the light to the at least one detector, the focus area on the way there through the deflection element h of the lighting module or sensor is at least partially curved, with a diffractive optical element and / or an optical element with a free-form surface being arranged at least on the way of the light to the surface of the workpiece between the at least one light source and the surface of the workpiece, wherein A movable and / or changeable optical element is arranged between the at least one light source and the diffractive optical element and / or the optical element with the free-form surface, and with the help of the movable and / or changeable optical element the point of incidence of the light on the diffractive optical element and / or the optical element with the free-form surface can be changed at least on the way from the at least one light source to the surface of the workpiece to be measured in such a way that the subregions of the surface of the workpiece to be measured in d Enter the focus area of the lighting module.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich unterschiedlichen Orten der Oberfläche eines diffraktiven optischen Elements und / oder eines optischen Elements mit einer Freiformoptik unterschiedliche Fokuslagen zuordnen lassen, so dass durch ein bewegliches und / oder veränderbares optisches Element des erfindungsgemäßen Sensors bzw. Beleuchtungsmoduls das Licht der Lichtquelle diesen unterschiedlichen Orten zugeführt werden kann, um die Fokuslage des Sensors bzw. Beleuchtungsmoduls zu ändern. Dadurch, dass das bewegliche und / oder veränderbare optische Element auf dem Hinweg des Lichts von der Lichtquelle zur Oberfläche des Werkstücks und dabei auch zwischen dem diffraktiven optischen Element und / oder dem optischen Element mit Freiformoptik und der Lichtquelle eingesetzt wird, reduziert sich der Einfluss einer Fehlstellung des beweglichen und / oder veränderbaren optischen Elements auf den Messfehler des Sensors im Vergleich zum Stand der Technik erheblich. Bei diesem wird der Abstand eines Konus zum restlichen Sensor für eine andere Fokuslage verändert. Da allerdings der bewegliche Konus beim Stand der Technik sowohl für den Hinweg des Lichts zur Oberfläche, als auch für den Rückweg des Lichts zum Detektor und damit für Datenerfassung bzw. Messwertgenerierung verantwortlich ist, geht eine Fehlstellung des beweglichen Konus beim Stand der Technik als weiterer Beitrag direkt in den Messfehler des optischen Sensors ein. Darüber hinaus bietet der erfindungsgemäße Sensor bzw. das erfindungsgemäße Beleuchtungsmodul den Vorteil, das wesentlich leichtere bewegliche optische Elemente als ein Konus zur Änderung der Fokuslage verwendet werden können, wodurch sich die benötigte Zeit zum Wechseln der Fokuslage verkürzt. Insbesondere beim Einsatz von sogenannten Mehrfachspiegelanordnungen (englisch Multi-Mirror-Arrays, MMA), wie er hinlänglich bei Projektoren bekannt ist, kann eine Änderung der Fokuslage im Zusammenspiel mit dem diffraktiven optischen Element und / oder der Freiformoptik in ms, insbesondere sogar in µs vorgenommen werden.According to the invention, it was recognized that different focal positions can be assigned to different locations on the surface of a diffractive optical element and / or an optical element with freeform optics, so that the light from the light source can be transmitted to them by a movable and / or changeable optical element of the sensor or lighting module according to the invention can be fed to different locations in order to change the focus position of the sensor or lighting module. Because the movable and / or changeable optical element is on the way of the light from the light source to the surface of the workpiece and also between the diffractive optical element and / or the optical element with free-form optics and the light source, the influence of a misalignment of the movable and / or changeable optical element on the measurement error of the sensor is significantly reduced compared to the prior art . In this case, the distance between a cone and the rest of the sensor is changed for a different focus position. However, since the moving cone in the state of the art is responsible for both the way the light travels to the surface and the return path of the light to the detector and thus for data acquisition or generation of measured values, a misalignment of the moving cone in the state of the art is a further contribution directly into the measurement error of the optical sensor. In addition, the sensor according to the invention or the lighting module according to the invention offers the advantage that much lighter movable optical elements than a cone can be used to change the focus position, which shortens the time required to change the focus position. Especially when using so-called multiple mirror arrangements (English multi-mirror arrays, MMA ), as is well known in the case of projectors, a change in the focus position in interaction with the diffractive optical element and / or the freeform optics can be made in ms, in particular even in μs.
Aufgrund der kurzen Wechselzeit zur Änderung der Fokuslage ist der erfindungsgemäße Sensor bzw. das erfindungsgemäße Beleuchtungsmodul in der Lage, zum Beispiel Innengewinde oder Hinterschneidungen in Bohrungen hinsichtlich ihrer Oberflächenkoordinaten in sehr kurzer Zeit vollständig zu erfassen. Dadurch ist es zum Beispiel möglich, die Messpunktdichte im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren signifikant zu erhöhen, so dass auch die Rauheit oder die Oberflächentextur aus den Oberflächendaten des Sensors ermittelt werden kann.Due to the short changeover time for changing the focus position, the sensor according to the invention or the lighting module according to the invention is able to completely detect internal threads or undercuts in bores with regard to their surface coordinates in a very short time. This makes it possible, for example, to significantly increase the measurement point density compared to conventional sensors, so that the roughness or the surface texture can also be determined from the surface data of the sensor.
In einer Ausführungsform weist das diffraktive optische Element eine rotationssymmetrische Beugungscharakteristik auf und / oder besitzt das optische Element mit einer Freiformoberfläche eine rotationssymmetrische Freiformoberfläche, so dass bei einer Einstellung des beweglichen und / oder veränderbaren optischen Elements dahingehend, dass die Auftrefforte des Lichts einen konstanten Abstand zur Symmetrieachse des diffraktiven optischen Elements und / oder des optischen Elements mit Freiformoberfläche aufweisen, der hieraus resultierende, zumindest teilweise bogenförmige, insbesondere ringförmig geschlossene Fokusbereich des Sensors zur Vermessung von Innenwänden von Bohrungen oder Innengewinden des Werkstücks einen konstanten radialen Abstand zum optischen Sensor bzw. zu dessen optischer Achse aufweist. Zur Vermessung von kreisrunden Bohrlöchern oder Innengewinden ist es sinnvoll, einen möglichst geschlossenen ringförmigen Fokusbereich um den Sensor herum für die Erfassung von Oberflächenkoordinaten der Bohrlöcher oder der Innengewinde zu nutzen. Ein solcher Fokusbereich lässt sich bei dem erfindungsgemäßen Sensor durch ein diffraktives optisches Element mit einer rotationssymmetrischen Beugungscharakteristik und / oder durch ein optisches Element mit einer Freiformoptik mit einer rotationssymmetrischen Freiformoberfläche erreichen.In one embodiment, the diffractive optical element has a rotationally symmetrical diffraction characteristic and / or the optical element with a freeform surface has a rotationally symmetrical freeform surface, so that when the movable and / or changeable optical element is set, the points of incidence of the light are at a constant distance from the Have the axis of symmetry of the diffractive optical element and / or the optical element with free-form surface, the resulting, at least partially arcuate, in particular ring-shaped closed focus area of the sensor for measuring inner walls of bores or internal threads of the workpiece a constant radial distance to the optical sensor or to its having optical axis. To measure circular boreholes or internal threads, it makes sense to use a ring-shaped focal area that is as closed as possible around the sensor for the acquisition of surface coordinates of the boreholes or the internal threads. In the sensor according to the invention, such a focus area can be achieved by a diffractive optical element with a rotationally symmetrical diffraction characteristic and / or by an optical element with free-form optics with a rotationally symmetrical free-form surface.
In einer weiteren Ausführungsform weist das optische Element mit einer Freiformoberfläche eine asphärische Freiformoberfläche auf, wobei unterschiedlichen Zonen von Auftrefforten des Lichts mit zueinander unterschiedlichen lateralen Abständen zur Symmetrieachse des diffraktiven optischen Elements und / oder des optischen Elements mit Freiformoberfläche unterschiedliche Fokuslagen zur Bündelung des durch die Zonen hindurchtretenden Lichts zugeordnet sind. Hierdurch ist es möglich, bei der Vermessung von Bohrlöchern und insbesondere von Innengewinden zwischen unterschiedlichen Fokuslagen zu wechseln, indem eine andere Zone des diffraktiven optischen Element und / oder des optischen Elements mit Freiformoberfläche durch das bewegliche und / oder veränderbare optische Element ausgeleuchtet wird.In a further embodiment, the optical element with a free-form surface has an aspherical free-form surface, with different zones of incidence points of the light with mutually different lateral distances from the axis of symmetry of the diffractive optical element and / or the optical element with free-form surface different focus positions for bundling the through the zones are assigned to passing light. This makes it possible to switch between different focal positions when measuring boreholes and in particular internal threads by illuminating another zone of the diffractive optical element and / or of the optical element with free-form surface by the movable and / or changeable optical element.
In einer Ausführungsform weist die rotationssymmetrische und asphärische Freiformoberfläche mit einer die Symmetrieachse der Freiformoberfläche enthaltenen Ebene eine Schnittkurve auf und diese Schnittkurve entspricht zumindest Teilweise einem Kurvenabschnitt einer Spirale, wobei die Spirale gegeben ist aus der Gruppe: Corny-, Euler- oder Klothoiden-Spirale. Spiralen weisen in der Regel entlang ihrer Bogenlänge sich kontinuierlich in Ihrem Durchmesser verändernde Krümmungskreise auf. Durch ein Freiformelement, welches entlang einer Hauptkrümmungsrichtung einer Spiralform folgt, ist es somit möglich, kontinuierlich sich verändernde Fokuslagen in Abhängigkeit vom lateralen Zonenabstand zu erzeugen.In one embodiment, the rotationally symmetrical and aspherical free-form surface has an intersection curve with a plane containing the axis of symmetry of the free-form surface and this intersection curve corresponds at least partially to a curve section of a spiral, the spiral being given from the group: Corny, Euler or clothoid spiral. As a rule, spirals have circles of curvature that change continuously in their diameter along their arc length. By means of a free-form element which follows a spiral shape along a main direction of curvature, it is thus possible to generate continuously changing focus positions as a function of the lateral zone spacing.
In einer weiteren Ausführungsform ist das optische Element mit Freiformoberfläche in Form eines Zylinders als Umlenkelement ausgebildet, dessen Unterseite mit einer Spiegelbeschichtung versehen ist und durch die Freiformoberfläche gebildet wird. Ein solches optisches Element bietet den Vorteil, dass die verspiegelte Freiformfläche durch den Zylinder beim Einfahren in Bohrlöcher oder Innengewinde geschützt ist, so dass diese empfindliche Fläche bei Kollisionen mit dem Werkstück nicht zerkratzt wird.In a further embodiment, the optical element with a free-form surface is designed in the form of a cylinder as a deflecting element, the underside of which is provided with a mirror coating and is formed by the free-form surface. Such an optical element offers the advantage that the mirrored free-form surface is protected by the cylinder when it is run into drilled holes or internal threads, so that this sensitive surface is not scratched in the event of collisions with the workpiece.
In einer Ausführungsform ist das bewegliche optische Element durch ein entlang seiner Symmetrieachse beweglich gelagertes Axikon gegeben. Ein solches optische Element lässt sich kostengünstig herstellen.In one embodiment, the movable optical element is given by an axicon that is movably mounted along its axis of symmetry. A such an optical element can be manufactured inexpensively.
In einer anderen Ausführungsform ist das veränderbare optische Element durch eine Mikrospiegel-Anordnung (Micro Mirror Array, MMA) gegeben. Hierdurch lassen sich extrem kurze Umschaltzeiten zwischen unterschiedlichen Fokuslagen realisieren.In another embodiment, the changeable optical element is provided by a micro mirror arrangement (micro mirror array, MMA ) given. This enables extremely short switching times between different focus positions to be achieved.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Lichtquelle durch eine Weißlichtquelle, insbesondere eine Superlumineszenzdiode gegeben und der Sensor bzw. das Beleuchtungsmodul umfasst einen Strahlteiler, eine Kollimationslinse und mindestens zwei für die Abbildung auf den Detektor vorgesehene Linsen. Der Einsatz einer Weißlichtquelle, insbesondere einer Superlumineszenzdiode erlaubt die Realisierung unterschiedlicher Messprinzipien. Zum einen ist es denkbar, den Sensor wie ein Mikroskop oder eine Kamera zu betreiben und durch das bewegliche und / oder veränderbare optische Element verschiedene Fokusvariationen vorzunehmen, wobei eine anschließende Auswertung der Schärfentiefe erfolgt. Oder der Sensor kann als zweidimensionaler konfokaler Abstandssensor, insbesondere als chromatischer konfokaler Sensor betrieben werden. Oder der Sensor kann aufgrund der Weißlichtquelle als sogenanntes Weißlichtinterferometer ausgestaltet sein. Auch bei den beiden letztgenannten Messprinzipien wird durch das bewegliche und / oder veränderbare optische Element im Zusammenspiel mit dem diffraktiven optischen Element und / oder dem optischen Element mit der Freiformoberfläche eine Änderung der Fokuslage vorgenommen.In a further embodiment, the light source is given by a white light source, in particular a superluminescent diode, and the sensor or the lighting module comprises a beam splitter, a collimation lens and at least two lenses provided for imaging on the detector. The use of a white light source, in particular a superluminescent diode, allows different measurement principles to be implemented. On the one hand, it is conceivable to operate the sensor like a microscope or a camera and to undertake various focus variations using the movable and / or changeable optical element, with a subsequent evaluation of the depth of field. Or the sensor can be operated as a two-dimensional confocal distance sensor, in particular as a chromatic confocal sensor. Or the sensor can be designed as a so-called white light interferometer due to the white light source. With the two last-mentioned measuring principles, too, the movable and / or changeable optical element in interaction with the diffractive optical element and / or the optical element with the free-form surface changes the focus position.
In einer Ausführungsform weist der Sensor bzw. das Beleuchtungsmodul einen Strahlteiler auf, der das von der Lichtquelle ankommende Licht anteilig aufspaltet in einen Detektionsstrahlengang, an dessen Ende sich die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks befindet und einen Referenzstrahlengang, an dessen Ende sich ein Referenzspiegel befindet. Diese Aufspaltung des Lichts der Lichtquelle in einen Detektionsstrahlengang und einen Referenzstrahlengang durch einen Strahlteiler ermöglicht den Einsatz von interferometrischen Methoden für die Koordinatenermittlung.In one embodiment, the sensor or the lighting module has a beam splitter which splits the light arriving from the light source proportionally into a detection beam path, at the end of which is the surface of the workpiece to be measured, and a reference beam path, at the end of which there is a reference mirror. This splitting of the light from the light source into a detection beam path and a reference beam path by a beam splitter enables the use of interferometric methods for the determination of coordinates.
In einer weiteren Ausführungsform führt der Strahlteiler das von dem Referenzspiegel und das von der Oberfläche des Werkstücks reflektierte Licht in Richtung des Detektors zusammen, so dass an dem Detektor das zusammengesetzte Signal aus dem Referenzstrahlengeng und dem Detektionsstrahlengang ausgewertet werden kann. Hierdurch wird einen interferometrische Überlagerung der Strahlengänge des Detektionsstrahlengangs und des Referenzstrahlengangs am Detektor des Sensors ermöglicht.In a further embodiment, the beam splitter combines the light reflected from the reference mirror and the light reflected from the surface of the workpiece in the direction of the detector, so that the composite signal from the reference beam and the detection beam path can be evaluated at the detector. This enables an interferometric superposition of the beam paths of the detection beam path and the reference beam path on the detector of the sensor.
In einer Ausführungsform kann der Referenzspiegel in seinem Abstand zum Strahlteiler mit der Zeit verändert werden, wodurch das zusammengesetzte Signal am Detektor als Interferenzsignal im Zeitbereich (englisch time domain, TD) analysiert werden kann. Durch den veränderlichen Referenzspiegel wird die unter dem Stichwort TD-OCT bekannte Messmethode der Weißlichtinterferometrie im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Sensor bzw. Beleuchtungsmodul ermöglicht.In one embodiment, the distance from the reference mirror to the beam splitter can be changed over time, as a result of which the composite signal at the detector can be analyzed as an interference signal in the time domain (TD). The variable reference mirror enables the white light interferometry measurement method known under the keyword TD-OCT in connection with the sensor or lighting module according to the invention.
In einer anderen Ausführungsform sind zwischen dem Strahlteiler und dem Detektor Mittel zur spektralen Trennung des zusammengesetzten Signals vorgesehen, so dass am Detektor das zusammengesetzte Signal als ein in mehrere spektrale Kanäle zerlegtes Interferenzsignal (englisch frequency domain, FD) analysiert werden kann. Durch die Mittel zur spektralen Trennung wird die unter dem Stichwort FD-OCT bekannte Messmethode der Weißlichtinterferometrie im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Sensor bzw. Beleuchtungsmodul ermöglicht.In another embodiment, means for spectral separation of the composite signal are provided between the beam splitter and the detector, so that the composite signal can be analyzed at the detector as an interference signal (frequency domain, FD) broken down into several spectral channels. The means for spectral separation enable the measurement method of white light interferometry known under the keyword FD-OCT in connection with the sensor or lighting module according to the invention.
In einer Ausführungsform weist der Sensor bzw. das Beleuchtungsmodul eine Wechselschnittstelle zur Ankopplung eines bzw. des Beleuchtungsmoduls an den Sensor auf. Hierdurch wird es ermöglicht, dass ein Beleuchtungsmodul gegen ein anderes Beleuchtungsmodul an dem Sensor ausgewechselt werden kann. Zum Beispiel können die unterschiedlichen Beleuchtungsmodule für unterschiedliche Durchmesser oder für unterschiedliche Messmethoden ausgelegt sein.In one embodiment, the sensor or the lighting module has an interchangeable interface for coupling one or the lighting module to the sensor. This enables one lighting module to be exchanged for another lighting module on the sensor. For example, the different lighting modules can be designed for different diameters or for different measurement methods.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Vermessen eines Bohrlochs insbesondere eines Innengewindes eines Werkstücks mittels eines Koordinatenmessgeräts mit Hilfe des erfindungsgemäßen Sensors bzw. Beleuchtungsmoduls, wobei in einem ersten Schritt der Sensor bzw. das Beleuchtungsmodul durch das Koordinatenmessgerät an eine gewünschte Position innerhalb des Bohrlochs bzw. Innengewindes des Werkstücks verfahren wird und wobei in einem zweiten Schritt mit Hilfe eines beweglichen und / oder veränderbaren optischen Elements der Auftreffort des Lichts der mindestens einen Lichtquelle auf einem diffraktiven optischen Element und / oder einem optischen Element mit einer Freiformoberfläche zumindest auf dem Hinweg von der mindestens einen Lichtquelle zu der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks derart verändert wird, dass die zur Vermessung vorgesehenen Teilbereiche der Oberfläche des Werkstücks in den Fokusbereich des Sensors bzw. des Beleuchtungsmoduls gelangen.The object of the present invention is also achieved by a method for measuring a borehole, in particular an internal thread of a workpiece, by means of a coordinate measuring device with the aid of the sensor or lighting module according to the invention, wherein in a first step the sensor or the lighting module is moved to a desired position by the coordinate measuring device is moved within the borehole or internal thread of the workpiece and in a second step with the aid of a movable and / or changeable optical element the point of incidence of the light from the at least one light source on a diffractive optical element and / or an optical element with a free-form surface at least the way from the at least one light source to the surface of the workpiece to be measured is changed in such a way that the subregions of the surface of the workpiece provided for the measurement into the focus region of the sensor or the illumination mode duls arrive.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich unterschiedlichen Orten der Oberfläche eines diffraktives optisches Element und / oder eines optisches Element mit einer Freiformoptik unterschiedliche Fokuslagen zuordnen lassen, so dass durch ein bewegliches und / oder veränderbares optisches Element des erfindungsgemäßen Sensors bzw. Beleuchtungsmoduls das Licht der Lichtquelle diesen unterschiedlichen Orten zugeführt werden kann, um die Fokuslage des Sensors bzw. des Beleuchtungsmoduls zu ändern. Somit ist es nach dem Einbringen des Sensors bzw. Beleuchtungsmoduls in ein Bohrloch bzw. Innengewinde möglich, dass die Fokuslage durch das Zusammenspiel von dem beweglichen und / oder veränderbaren optischen Element mit dem diffraktiven optischen Element und / oder dem Element mit einer Freiformoptik zum Beispiel von einem zunächst eingestellten geringen Abstand zum Sensor bzw. Beleuchtungsmodul kontinuierlich oder in einzelnen Schritten auf einen großen Abstand verändert wird, so dass während dieses Scans immer unterschiedliche Teilbereiche der zu vermessenden Oberfläche, deren Abstände gerade dem eingestellten Abstand der Fokuslage entsprechen, durch den Sensor bzw. das Beleuchtungsmodul erfasst werden können.According to the invention, it was recognized that there are different locations on the surface of a diffractive optical element and / or an optical element with free-form optics assign different focus positions so that the light of the light source can be fed to these different locations by a movable and / or changeable optical element of the sensor or lighting module according to the invention in order to change the focus position of the sensor or the lighting module. Thus, after the sensor or lighting module has been introduced into a borehole or internal thread, the focus position can be adjusted by the interaction of the movable and / or changeable optical element with the diffractive optical element and / or the element with free-form optics, for example from an initially set small distance to the sensor or lighting module is changed continuously or in individual steps to a large distance, so that during this scan always different sub-areas of the surface to be measured, the distances of which correspond to the set distance of the focus position, through the sensor or the lighting module can be detected.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in einem dritten Schritt Intensitätssignale aus dem Fokusbereich des Sensors bzw. des Beleuchtungsmoduls von einem flächenmäßig zur Erfassung von Intensitätssignalen ausgebildeten Detektor des Sensors in Abhängigkeit der Stellung des beweglichen und / oder veränderbaren optischen Elements des Sensors bzw. des Beleuchtungsmoduls und / oder in Abhängigkeit der Stellung eines in seiner Normalenrichtung beweglichen Referenzspiegels des Sensors und / oder in Abhängigkeit der Frequenz bzw. Wellenlänge des von dem Detektor erfassten Lichts ermittelt. Durch diesen dritten Schritt erfolgt die Zuordnung von Intensitätssignalen aus dem Fokusbereich zu den unterschiedlich eingestellten Fokuslagen und damit die Zuordnung von unterschiedlichen Teilbereichen der zu vermessenden Oberfläche zu unterschiedlichen Abständen.In one embodiment of the method according to the invention, in a third step, intensity signals from the focus area of the sensor or the lighting module are generated by a detector of the sensor designed to detect intensity signals as a function of the position of the movable and / or changeable optical element of the sensor or the lighting module and / or as a function of the position of a reference mirror of the sensor that is movable in its normal direction and / or as a function of the frequency or wavelength of the light detected by the detector. This third step results in the assignment of intensity signals from the focus area to the differently set focus positions and thus the assignment of different sub-areas of the surface to be measured to different distances.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zweite Schritt für einen in seinem lateralen Abstand zum Sensor bzw. Beleuchtungsmodul veränderten Fokusbereich bei der Beibehaltung der im ersten Schritt angefahrenen Position oder der erste Schritt für eine andere gewünschte Position innerhalb des Bohrlochs bzw. Innengewindes bei der Beibehaltung der im zweiten Schritt eingestellten Stellung des beweglichen und / oder veränderbaren optischen Elements des Sensors bzw. des Beleuchtungsmoduls solange wiederholt durchgeführt, bis in dem sich jedes Mal anschließenden dritten Schritt die vollständige Information über die Oberflächendaten des zu vermessenden Abschnitts des Bohrlochs bzw. Innengewindes vorliegt.In a further embodiment of the method according to the invention, the second step for a focal area that is changed in its lateral distance to the sensor or lighting module while maintaining the position approached in the first step or the first step for a different desired position within the borehole or internal thread is used The position of the movable and / or changeable optical element of the sensor or the lighting module set in the second step is maintained repeatedly until the complete information about the surface data of the section of the borehole or internal thread to be measured is available in the third step that follows each time .
Insbesondere für Innengewinde, bei denen zum Beispiel bei Metrischen ISO-Gewinden die Differenz von Kern- und Außendurchmesser (Nenndurchmesser) zwischen 0,3 mm (bei M1) und 7 mm (bei M64) beträgt, ist es notwendig, sowohl einen Scan entlang der Achse des Innengewindes, als auch einen Fokusscan über verschiedene Durchmesser bzw. Fokuslagen mit dem Sensor bzw. dem Beleuchtungsmodul durchzuführen, um die vollständige Oberflächeninformation des Innengewindes hinsichtlich des Gewindegangs, der Gewindeflanken und der Gewindetiefen zu erhalten. Aufgrund der großen Differenz von Kern- und Außendurchmesser (Nenndurchmesser) bei Innengewinden ist es in der Regel nicht möglich, mit nur einer Fokuslage für eine Vermessung zu arbeiten. Es versteht sich, dass der Scan entlang der Achse durch die Positionsänderung des Sensors bzw. des Beleuchtungsmoduls mittels des Koordinatenmessgeräts und der Fokusscan des Sensors bzw. Beleuchtungsmoduls unabhängig voneinander und in einer beliebigen Kombination miteinander durchgeführt werden können, um eine vollständige Information über die Oberflächenkoordinaten des Innengewindes zu erhalten.In particular for internal threads where, for example, with metric ISO threads the difference between the core and external diameter (nominal diameter) is between 0.3 mm (for M1) and 7 mm (for M64), it is necessary to carry out a scan along the Axis of the internal thread, as well as a focus scan over different diameters or focus positions with the sensor or the lighting module in order to obtain the complete surface information of the internal thread with regard to the thread turn, the thread flanks and the thread depths. Due to the large difference between the core and outer diameter (nominal diameter) for internal threads, it is usually not possible to work with just one focus position for a measurement. It goes without saying that the scan along the axis through the change in position of the sensor or the lighting module by means of the coordinate measuring device and the focus scan of the sensor or lighting module can be carried out independently of one another and in any combination with one another in order to obtain complete information about the surface coordinates of the Internal thread.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments of the invention with reference to the figures which show details essential to the invention, and from the claims. The individual features can each be implemented individually or collectively in any combination in a variant of the invention.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. In diesen zeigt
- 1 eine schematische Darstellung eines optischen Sensors des Standes der Technik entsprechend der 11 aus EP 2 093 536 A1 ;
- 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors bzw. Beleuchtungsmoduls mit einem beweglichem Axikon und einem diffraktiven optischen Element;
- 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors bzw. Beleuchtungsmoduls mit einer Mehrfachspiegelanordnung und einem diffraktiven optischen Element;
- 4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors bzw. Beleuchtungsmoduls mit einer Mehrfachspiegelanordnung und einer verspiegelten Freiformfläche;
- 5 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors bzw. Beleuchtungsmoduls als Weißlichtinterferometer mit einer Mehrfachspiegelanordnung und einer verspiegelten Freiformfläche; und
- 6 ein schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls für einen optischen Sensor.
Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the figures. In these shows - 1 a schematic representation of an optical sensor of the prior art corresponding to FIG 11 out EP 2 093 536 A1 ;
- 2 a schematic representation of a first embodiment of the sensor or lighting module according to the invention with a movable axicon and a diffractive optical element;
- 3 a schematic representation of a second embodiment of the sensor or lighting module according to the invention with a multiple mirror arrangement and a diffractive optical element;
- 4th a schematic representation of a third embodiment of the sensor or lighting module according to the invention with a multiple mirror arrangement and a mirrored free-form surface;
- 5 a schematic representation of a fourth embodiment of the sensor or lighting module according to the invention as a white light interferometer with a Multiple mirror arrangement and a mirrored free-form surface; and
- 6th a schematic representation of a further lighting module according to the invention for an optical sensor.
1 zeigt einen optischen Sensor 30 des Standes der Technik für ein Koordinatenmessgerät zur Erfassung von Oberflächenkoordinaten eines Werkstücks 7 umfassend mindestens eine Lichtquelle 1 und mindestens einen Detektor 10 sowie optische Elemente 2, 3, 4, 5, 6 und 9 zur Führung des Lichts einerseits auf dem Hinweg von der mindestens einen Lichtquelle 1 auf die Oberfläche 7a des zu vermessenden Werkstücks 7 und andererseits auf dem Rückweg von der Oberfläche 7a des zu vermessenden Werkstücks 7 zu dem mindestens einen Detektor 10, wobei einige der genannten optischen Elemente 4, 5, 6 und 6a sowohl für die Strahlführung auf dem Hinweg als auch für die Strahlführung auf dem Rückweg genutzt werden und wobei mindestens eines dieser genannten optischen Elemente ein Umlenkelement 6a ist, das auf dem Hinweg für eine Umlenkung des Lichts auf die Oberfläche 7a des zu vermessenden Werkstücks 7 und auf dem Rückweg für eine Umlenkung des Lichts zu dem mindestens einen Detektor 10 sorgt, wobei auf dem Hinweg durch das Umlenkelement 6a der Fokusbereich des Sensors 30 zumindest teilweise bogenförmig ausgebildet wird und wobei der mindestens eine Detektor 10 flächenmäßig zur Erfassung von Intensitätssignalen von Licht aus diesem zumindest teilweise bogenförmigen Fokusbereich ausgebildet ist. 1 shows an optical sensor 30th of the prior art for a coordinate measuring machine for detecting surface coordinates of a workpiece 7th comprising at least one light source 1 and at least one detector 10 as well as optical elements 2 , 3 , 4th , 5 , 6th and 9 for guiding the light on the one hand on the way there from the at least one light source 1 on the surface 7a of the workpiece to be measured 7th and on the other hand on the way back from the surface 7a of the workpiece to be measured 7th to the at least one detector 10 , with some of the said optical elements 4th , 5 , 6th and 6a can be used both for the beam guidance on the way there and for the beam guidance on the return path, and at least one of these optical elements mentioned is a deflection element 6a is that on the way for a redirection of light onto the surface 7a of the workpiece to be measured 7th and on the return path for redirecting the light to the at least one detector 10 ensures, on the way there through the deflecting element 6a the focus area of the sensor 30th is at least partially arcuate and wherein the at least one detector 10 is designed in terms of area for the detection of intensity signals of light from this at least partially arcuate focus area.
Der in 1 dargestellte optische Sensor 30 entspricht samt den Bezugszeichen dem in 11 der EP 2 093 536 A1 offenbarten Sensor, lediglich das Bezugszeichen 7a für die Oberfläche des Werkstücks 7 wurde ergänzt. Ferner wurde das optische Element 6 in der 1 nicht in einer abgesetzten Form wie in der 11 der EP 2 093 536 A1 sondern als Vollzylinder dargestellt. Darüber hinaus wurde in der 1 im Gegensatz zu der 11 mehr Platz für den Lichtweg zwischen der Kollimationslinse 2 und dem Axikon 3 eingeräumt. Ein weiterer Unterschied der hier vorliegenden 1 zu der 11 der EP 2 093 536 A1 ergibt sich daraus, dass die Lage der Blende 8 in der 11 unterhalb der Linse 9 der Lage einer Pupillenebene entspricht und die Lage der Blende 8 in der vorliegenden 1 oberhalb der Linse 9 gemäß dem Ort der kleinsten Einschnürung der Lichtstrahlen gewählt wurde. Ferner ist festzuhalten, dass in der 11 der EP 2 093 536 A1 Lichtstrahlen oberhalb des Strahlteilers 4 eingezeichnet sind, die in der Realität nicht existieren. Dies betrifft die äußersten Lichtstrahlen am Detektor 10 der 11 der EP 2 093 536 A1 . Vermutlich wurden diese nicht existierenden Lichtstrahlen zur Verdeutlichung der Pupillenebene und damit der Lage der Blende 8 in die 11 der EP 2 093 536 A1 aufgenommen. Eine korrekte Darstellung der Lichtstrahlen ohne diese nicht existierenden Lichtstrahlen findet sich dagegen in der nachfolgenden 12 der EP 2 093 536 A1 .The in 1 optical sensor shown 30th corresponds to that in 11 of the EP 2 093 536 A1 disclosed sensor, only the reference number 7a for the surface of the workpiece 7th has been added. Furthermore, the optical element 6th in the 1 not in a separate form as in the 11 of the EP 2 093 536 A1 but shown as a full cylinder. In addition, the 1 in contrast to the 11 more space for the light path between the collimation lens 2 and the axicon 3 granted. Another difference from the one here 1 to the 11 of the EP 2 093 536 A1 results from the fact that the position of the aperture 8th in the 11 below the lens 9 corresponds to the position of a pupil plane and the position of the diaphragm 8th in the present 1 above the lens 9 was chosen according to the location of the smallest constriction of the light rays. It should also be noted that in the 11 of the EP 2 093 536 A1 Light rays above the beam splitter 4th which do not exist in reality. This affects the outermost light rays on the detector 10 of the 11 of the EP 2 093 536 A1 . Presumably these non-existent light rays were used to clarify the pupil plane and thus the position of the diaphragm 8th in the 11 of the EP 2 093 536 A1 recorded. A correct representation of the light rays without these non-existent light rays can be found in the following 12 of the EP 2 093 536 A1 .
Die Funktionsweise des in 1 dargestellten Sensors 30 wird im Folgenden kurz erläutert. Darüber hinaus wird auf die Offenbarung der EP 2 093 536 hinsichtlich der Funktionsweise dieses Sensors verwiesen, welche hiermit vollumfänglich für die Beschreibung des Sensors 30 der 1 in Bezug genommen wird.How the in 1 shown sensor 30th is briefly explained below. In addition, reference is made to the revelation of EP 2 093 536 with regard to the mode of operation of this sensor, which are hereby fully used for the description of the sensor 30th of the 1 is referred to.
Der in 1 dargestellte Sensor 30 eignet sich insbesondere zur Vermessung der Oberflächenkoordinaten der Innenseiten von Bohrlöchern eines Werkstücks 7, da der Sensor 30 in der Lage ist, den auf die Innenwand bzw. Oberfläche 7a in Form eines Rings projizierte Fokusbereich des Sensors 30 mittels nur einer Messung vollständig auf den Detektor 10 abzubilden. Dazu wird das Licht der Lichtquelle 1 zunächst durch eine Kollimationslinse 2 kollimiert, d.h. nahezu parallel zur optischen Achse ausgerichtet. Ein nachfolgendes Axikon 3 sorgt für eine Zerlegung des parallel ausgerichteten Lichts in ein umfänglich geschlossenes Ringbündel, wobei das Ringbündel nachfolgend eine konstante Neigung zur optischen Achse aufweist. Ein dem Axikon 3 im Hinweg des Lichts nachfolgender Strahlteiler 4 lenkt das Ringbündel in Richtung einer Linse 5 um.The in 1 shown sensor 30th is particularly suitable for measuring the surface coordinates of the inner sides of drill holes in a workpiece 7th as the sensor 30th is able to the on the inner wall or surface 7a focal area of the sensor projected in the form of a ring 30th completely on the detector with just one measurement 10 map. This is done using the light of the light source 1 initially through a collimation lens 2 collimated, ie aligned almost parallel to the optical axis. A subsequent axicon 3 ensures that the light aligned in parallel is broken down into a circumferentially closed bundle of rings, the bundle of rings subsequently exhibiting a constant inclination to the optical axis. To the axicon 3 downstream beam splitter in the outward path of the light 4th directs the ring bundle towards a lens 5 around.
Aufgrund der Tatsache, dass sich das Axikon 3 in etwa der Ebene der vorderen Schnitt- bzw. Brennweite der nachfolgenden Linse 5 befindet, werden diejenigen Lichtstrahlen des Ringbündels, die zuvor annähernd durch die Spitze des Axikons gelaufen sind und somit von einem Punkt der optischen Achse ihren Ausgang nehmen, durch die Linse 5 parallel zu der optischen Achse ausgerichtet. Der laterale Abstand dieser Strahlen zur optischen Achse bzw. die sogenannte Höhe h beträgt nach der Linse 5 dann entsprechend h = f*sin α, wobei f die Brennweite der Linse 5 und α der Neigungswinkel gegenüber der optischen Achse beim Axikon 3 ist. Durch die parallele Ausrichtung dieser Strahlen zur optischen Achse gelangen diese Strahlen durch die der Linse 5 nachfolgenden Planoptiken, insbesondere den in einen transparenten Zylinder 6 eingebetteten bzw. eingearbeiteten Umlenkkonus 6a nahezu senkrecht auf die zu vermessende Innenwand 7a des Bohrlochs bzw. Werkstücks 7 und werden daher in sich reflektiert, wodurch diese Strahlen den gleichen Pfad für den Hin- und den Rückweg zwischen Strahlteiler 4 und Oberfläche 7a einnehmen. Auf dem Rückweg durchtreten diese Strahlen allerdings den Strahlteiler 4 und gelangen zu dem Detektor 10.Due to the fact that the axicon 3 approximately in the plane of the front focal length or focal length of the following lens 5 is located, those light rays of the ring bundle, which previously passed approximately through the tip of the axicon and thus exit from a point on the optical axis, will pass through the lens 5 aligned parallel to the optical axis. The lateral distance between these rays and the optical axis or the so-called height h is after the lens 5 then corresponding to h = f * sin α, where f is the focal length of the lens 5 and α the angle of inclination with respect to the optical axis for the axicon 3 is. Due to the parallel alignment of these rays to the optical axis, these rays pass through that of the lens 5 subsequent plan optics, especially the one in a transparent cylinder 6th embedded or incorporated deflection cone 6a almost perpendicular to the inner wall to be measured 7a of the borehole or workpiece 7th and are therefore reflected in themselves, giving these rays the same path for the outward and return path between beam splitters 4th and surface 7a take in. On the way back, however, these rays pass through the beam splitter 4th and get to the detector 10 .
Der ringförmige Fokusbereich entsteht nun dadurch, dass nicht nur die Strahlen aus der Axikonspitze sondern alle Strahlen nach dem Axikon 3 den gleichen Neigungswinkel zur optischen Achse aufweisen. Da das Axikon 3 sich in etwa im Brennpunkt der Linse 5 befindet, stellt die Ebene des Axikons eine Beleuchtungspupillenebene des Sensors 3 dar. Gemäß der allgemeinen optischen Fourier-Beziehungen zwischen Feld- und Pupillenebenen, die selbst bei einer einzelnen Linse 5 gegeben sind, sammeln sich alle Strahlen, die in einer Beleuchtungspupillenebene einer Optik der Brennweite f mit dem gleichen Neigungswinkel α starten, in der Beleuchtungsfeldebene in einem Punkt mit dem lateralen Abstand h = f*sin α zur optische Achse. D.h. mit anderen Worten, die Erzeugung eines zur optischen Achse rotationssymmetrischen Ringbündels mit konstanter Neigung der Strahlen des Ringbündels zur optischen Achse in der Beleuchtungspupillenebene des Sensors 30 durch das Axikon 3 führt aufgrund der optischen Fourier-Beziehung von Feld- und Pupillenebenen automatisch zur Erzeugung eines ringförmigen Fokusbereichs in der Feldebene des Sensors 30. Dieser durch die geneigten Strahlen erzeugte ringförmige Fokusbereich wird bei dem Sensor 30 der 1 durch einen verspiegelten Konus 6a am Ende eines transparenten Zylinderelements 6 auf die zu vermessende Oberfläche 7a des Werkstücks 7 umgelenkt.The ring-shaped focus area is created by the fact that not only the rays from the axicon tip but all rays after the axicon 3 the same angle of inclination to the optical axis exhibit. Since the axicon 3 roughly in the focal point of the lens 5 is located, the plane of the axicon represents an illumination pupil plane of the sensor 3 According to the general optical Fourier relationships between field and pupil planes, even with a single lens 5 are given, all rays that start in an illumination pupil plane of an optical system of focal length f with the same inclination angle α collect in the illumination field plane at a point with the lateral distance h = f * sin α to the optical axis. In other words, the generation of a ring bundle that is rotationally symmetrical to the optical axis with a constant inclination of the rays of the ring bundle to the optical axis in the illumination pupil plane of the sensor 30th through the axicon 3 Due to the optical Fourier relationship of field and pupil planes, it automatically generates an annular focus area in the field plane of the sensor 30th . This ring-shaped focus area generated by the inclined beams becomes the sensor 30th of the 1 through a mirrored cone 6a at the end of a transparent cylinder element 6th on the surface to be measured 7a of the workpiece 7th diverted.
Ohne die Erzeugung geneigter Strahlen durch das Axikon 3 würden sich alle ansonsten parallele Strahlen aufgrund h = f* sin 0° = 0 mm in einem Fokuspunkt auf der optischen Achse sammeln. Hierdurch wäre es nicht möglich, die Strahlen mit dem Umlenkkonus 6a auf dem Hinweg und auf dem Rückweg umzulenken. Die Strahlen würden in diesem Fall auf dem Rückweg die optische Achse oberhalb des Konus schneiden und somit den Konus für eine weitere Umlenkung in Richtung des Detektors 10 verfehlen.Without the generation of inclined rays by the axicon 3 all otherwise parallel rays would collect in a focal point on the optical axis due to h = f * sin 0 ° = 0 mm. This would make it impossible to use the deflecting cone to direct the rays 6a divert on the way there and on the way back. In this case, the rays would intersect the optical axis above the cone on the way back and thus the cone for a further deflection in the direction of the detector 10 to miss.
In der EP 2 093 536 A1 ist im Zusammenhang mit der dortigen 1 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensors 30 des Standes der Technik gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden hintereinander gestaffelte Blenden als weitere Möglichkeit zur gezielten Auswahl geneigter bzw. schiefwinkliger Strahlen offenbart. Diese Lösung hat jedoch größere Lichtverluste aufgrund der Blenden zur Folge.In the EP 2 093 536 A1 is related to that there 1 another embodiment of a sensor 30th of the prior art shown. In this embodiment, staggered diaphragms are disclosed as a further possibility for the targeted selection of inclined or oblique rays. However, this solution results in greater light losses due to the diaphragms.
Die durch den ringförmigen Fokusbereich beleuchteten Oberflächenabschnitte der Oberfläche 7a werden bei dem Sensor 30 der 1 durch zwei Linsen 5 und 9 auf einen zweidimensionalen Detektor, zum Beispiel einen CCD- oder CMOS-Chip, abgebildet. D.h. mit anderen Worten, es werden mittels einer digitalen Kamera Aufnahmen der beleuchteten Oberflächenabschnitte getätigt. Zur Ermittlung der Koordinaten der beleuchteten Oberflächenabschnitte kann dann aus den getätigten Aufnahmen die Verbreiterung der aufgenommenen Fokuslinie entsprechend dem im Zusammenhang mit der 12 der EP 2 093 536 A1 diskutierten Verfahrens ermittelt werden. Hierzu wird auf die vollumfänglich in Bezug genommene EP 2 093 536 A1 und die dortige Figurenbeschreibung zur 12 verwiesen. Allerdings ist es auch möglich, den Abstand des Zylinders 6 und damit des Umlenkkonus 6a gegenüber dem restlichen Sensor 30 zu variieren und damit verschiedene Aufnahmen des beleuchteten Oberflächenabschnitts bei verschiedenen Fokuslagen zu tätigen. Anschließend kann dann softwaretechnisch für den jeweiligen Teilabschnitt die beste Fokuslage und damit dessen Koordinate durch eine Kontrast- bzw. Schärfeauswertung der Bilder ermittelt werden. Diese Methode ist unter dem Begriff Fokusvariation bekannt. Alternativ kann auch konfokal mittels einer oder mehrere Blenden 8 die richtige Fokuslage bei der Fokusvariation ermittelt werden. Hierbei wird dann nicht auf die Schärfe des Bildes sondern auf dessen Intensität optimiert. Bei dieser alternativen konfokalen Messtechnik könnte es allerdings notwendig sein, eine oder mehrere variable und entlang der optischen Achse fahrbare Blenden 8 zu nutzen, um die optimale Position und den optimalen Durchmesser der Blende 8 in Abhängigkeit von der gewählten Fokuslage einzustellen. Solche Blenden sind aus der Digitalfotografie bekannt.The surface sections of the surface illuminated by the ring-shaped focus area 7a are at the sensor 30th of the 1 through two lenses 5 and 9 imaged on a two-dimensional detector, for example a CCD or CMOS chip. In other words, recordings of the illuminated surface sections are made by means of a digital camera. To determine the coordinates of the illuminated surface sections, the widening of the recorded focus line can then be made from the recordings made, corresponding to that in connection with the 12 of the EP 2 093 536 A1 discussed method can be determined. For this purpose, reference is made in full to the EP 2 093 536 A1 and the description of the figures there 12 referenced. However, it is also possible to change the distance between the cylinder 6th and thus the deflection cone 6a compared to the rest of the sensor 30th to vary and thus to make different recordings of the illuminated surface section at different focus positions. The best focus position and thus its coordinate can then be determined by software for the respective subsection by evaluating the contrast or sharpness of the images. This method is known as focus variation. Alternatively, it can also be confocal using one or more diaphragms 8th the correct focus position can be determined for the focus variation. In this case, optimization is not carried out on the sharpness of the image but on its intensity. With this alternative confocal measurement technique, however, it could be necessary to use one or more variable diaphragms that can be moved along the optical axis 8th to use to find the optimal position and diameter of the aperture 8th depending on the selected focus position. Such apertures are known from digital photography.
Zu beachten ist noch, dass bei dem Sensor 30 der 1 selbst bei einem Tausch des Axikons 3 gegen ein anderes Axikon, welches Lichtstrahlen mit größerem Neigungswinkeln β erzeugt, dies zwar aufgrund β > α zu einem größeren Abstand h' = f *sin β > h = f* sin α der Strahlen zur optischen Achse nachfolgend der Linse 5 führen würde, sich allerdings die Fokuslage des Sensors 30 hierdurch nicht ändern würde, da diese nur von der Brennweite der Linse 5 und eventuell auch zusätzlich von dem Abstand des Umlenkkonus 6a zum restlichen Sensor abhängt. D.h. mit anderen Worten, alle von einer Pupillenebene ausgehenden Strahlen sammeln sich in ein und derselben Feldebene, die mit großem Winkel in der Pupille sammeln sich bei einer großen Feldhöhe und die mir kleinem Winkel in der Pupille sammeln sich bei einer kleinen Feldhöhe. Es lässt sich jedoch nicht mit einer Variation der Winkel in der Pupille die Lage der Feldebene entlang der optischen Achse verschieben.It should also be noted that with the sensor 30th of the 1 even if the axicon is exchanged 3 against another axicon, which generates light rays with a larger angle of inclination β, although this is due to β> α at a greater distance h '= f * sin β> h = f * sin α of the rays to the optical axis following the lens 5 would result, however, the focus position of the sensor 30th this wouldn't change as this would only affect the focal length of the lens 5 and possibly also from the distance of the deflection cone 6a depends on the rest of the sensor. In other words, all rays emanating from a pupil plane collect in one and the same field plane, those with a large angle in the pupil collect with a large field height and those with a small angle in the pupil collect with a small field height. However, the position of the field plane cannot be shifted along the optical axis by varying the angle in the pupil.
Die 2 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors 31a bzw. Beleuchtungsmoduls 41a, der bzw. das zusätzlich gegenüber dem Sensor 30 des Standes der Technik in 1 ein axial bewegliches Axikon 3 und ein gestrichelt dargestelltes diffraktives optisches Element 5f bzw. optisches Element mit einer Freiformoberfläche 5f aufweist. Das Beleuchtungsmodul 41a ist dabei der im unteren Teil der 2 dargestellte Teil des Sensors 31a. Die gestrichelt eingezeichneten Linie zwischen dem oberen Teil des Sensors 31a ab der Linse 9 aufwärts und dem Beleuchtungsmodul 41a ab der Blende 8 abwärts stellt dabei eine mögliche und sinnvolle Trennebene zwischen diesen beiden Teilen des Sensors 31a dar. In dieser Ebene kann eine Wechselschnittstelle zum Einwechseln bzw. Ankoppeln verschiedener Beleuchtungsmodule an den Sensor 31a vorgesehen sein. Diese wechselbaren Beleuchtungsmodule können dabei auf verschiedenen eingangs erwähnten Messtechniken basieren, entsprechend den 3 bis 5 ausgeführt oder für verschiedene Messaufgaben angepasst sein. Die 3 bis 5 weisen entsprechende Trennebenen zum Einwechseln bzw. Ankoppeln verschiedener erfindungsgemäßer Beleuchtungsmodule an erfindungsgemäßen Sensoren auf. Die 6 zeigt hingegen ein alternatives Beleuchtungsmodul 41e, welches zum Einwechseln bzw. Ankoppeln an den erfindungsgemäßen Sensor 31e mit einer alternativen Trennebene vorgesehen ist.The 2 shows a first embodiment of the sensor according to the invention 31a or lighting module 41a , the or that in addition to the sensor 30th the state of the art in 1 an axially movable axicon 3 and a diffractive optical element shown in dashed lines 5f or optical element with a free-form surface 5f having. The lighting module 41a is the one in the lower part of the 2 shown part of the sensor 31a . The dashed line between the upper part of the sensor 31a from the lens 9 upwards and the lighting module 41a from the aperture 8th downward represents a possible and sensible dividing line between these two Share the sensor 31a In this level, an interchangeable interface can be used for interchanging or coupling various lighting modules to the sensor 31a be provided. These exchangeable lighting modules can be based on various measurement techniques mentioned at the beginning, corresponding to the 3 to 5 executed or adapted for different measuring tasks. The 3 to 5 have corresponding parting planes for exchanging or coupling different lighting modules according to the invention to sensors according to the invention. The 6th however, shows an alternative lighting module 41e , which is for changing or coupling to the sensor according to the invention 31e is provided with an alternative parting plane.
Zunächst wird nachfolgend ohne Berücksichtigung des gestrichelt dargestellten Elements 5f im Rahmen der 2 erläutert, was passiert, wenn das Axikon 3 bei einem Sensor 30 des Standes der Technik von seiner in der 1 dargestellten Position um den in der 2 dargestellten Verschiebevektor a axial in Richtung der Lichtquelle 1 versetzt wird. Durch diese Verschiebung des Axikons 3 ändert sich die Neigung der Strahlen nicht. D.h. die Strahlen starten an der ehemaligen Position des Axikons 3 und damit in der Pupille nach wie vor mit der gleichen Neigung zur optischen Achse. Allerdings ist das Ringbündel bei dem um den Vektor a verschobenen Axikon 3 jetzt in der Pupille lateral aufgeweitet, d.h. , die Orte der Strahlen des Ringbündels in der Pupille befinden sich weiter von der optischen Achse entfernt als in 1. Dies ist in der 2 dadurch graphisch dargestellt, dass die Strahlen der Axikonspitze, welche in der 1 noch den äußeren Rand des Ringbündels auf der nachfolgenden Linse 5 gebildet haben, in der 2 nun den inneren Rand des Ringbündels auf der nachfolgenden Linse 5 darstellen. Somit durchläuft das Ringbündel in der 2 einen weiter außen liegenden Bereich der Linse 5 als in der 1.First of all, without considering the element shown in dashed lines 5f As part of the 2 explains what happens when the axicon 3 with a sensor 30th of the prior art from its in the 1 the position shown in the 2 shown displacement vector a axially in the direction of the light source 1 is moved. By shifting the axicon 3 the inclination of the rays does not change. Ie the rays start at the former position of the axicon 3 and thus in the pupil still with the same inclination to the optical axis. However, the ring bundle is in the axicon shifted by the vector a 3 now widened laterally in the pupil, ie the locations of the rays of the ring bundle in the pupil are further away from the optical axis than in 1 . This is in the 2 graphically represented by the fact that the rays of the axicon tip, which in the 1 nor the outer edge of the ring bundle on the subsequent lens 5 have formed in the 2 now the inner edge of the ring bundle on the subsequent lens 5 represent. Thus, the ring bundle passes through 2 an area of the lens further out 5 than in the 1 .
Grundsätzlich treffen sich Strahlen gleicher Neigung in der Pupille bei idealen Linsen gemäß der Fourier-Beziehung am gleichen Feldpunkt. Eine reelle Linse hingegen weicht von diesem Ideal jedoch aufgrund ihrer Bildfehler leicht ab, insbesondere der Bildfehler der sphärischen Aberration ist dafür verantwortlich, dass Lichtstrahlen, welche eine Linse weiter außen treffen sich in einem Brennpunkt mit einem geringeren Abstand zur Linse sammeln. Diese Brennpunkt-Abweichung der reellen Linse 5 von einer idealen Linse aufgrund der sphärischen Aberration ist in der 2 als eine Verschiebung der Fokuslage durch den Vektor b repräsentiert. Mit Hilfe dieser veränderten Fokuslage wäre es dann möglich, ein anderes Bohrloch 7 mit einem geringeren Durchmesser zu vermessen. Ein solches Bohrloch ist in der 2 gestrichelt dargestellt. Entsprechend der zum Sensor 30 hin verkürzten Fokuslage reduziert sich auch der Durchmesser des Bohrlochs auf dem Detektor 10 um den Vektor c. Der Vektor c ist dabei in den Figuren übertrieben groß und daher nicht maßstabsgerecht dargestellt.Basically, rays of the same inclination meet in the pupil in ideal lenses according to the Fourier relationship at the same field point. A real lens, on the other hand, deviates slightly from this ideal due to its image errors, in particular the image error of spherical aberration is responsible for the fact that light rays that meet a lens further out collect at a focal point with a smaller distance from the lens. This focal point deviation of the real lens 5 of an ideal lens due to the spherical aberration it is in 2 represented as a shift in the focus position by the vector b. With the help of this changed focus position, it would then be possible to drill another borehole 7th to be measured with a smaller diameter. One such borehole is in the 2 shown in dashed lines. According to the sensor 30th towards a shortened focus position, the diameter of the borehole on the detector is also reduced 10 around the vector c. The vector c is exaggerated in the figures and is therefore not shown to scale.
Allerdings ist die Linse 5 bei dem optischen Sensor 30 und bei dem erfindungsgemäßen optischen Sensor 31a auch für die Abbildung auf den Detektor 10 vorgesehen und damit dahingehend optisch ausgewählt, dass sie keine große sphärische Aberration aufweist, welche die Abbildung und die Datenerfassung auf dem Detektor 10 erschweren würde. Somit ist der in der 2 stark überzogen dargestellte Fokuseffekt der Linse 5 bei dem Sensor 30 des Standes der Technik zum Beispiel nicht ausreichend, um die für die Vermessung eines Innengewindes notwendige Variation von mehreren Millimetern in der Fokuslage ausschließlich durch eine Veränderung der Position des Axikons 3 bereitzustellen.However, the lens is 5 at the optical sensor 30th and in the optical sensor according to the invention 31a also for mapping onto the detector 10 provided and thus optically selected to the effect that it does not have any large spherical aberration, which the imaging and the data acquisition on the detector 10 would make it difficult. So the one in the 2 The focus effect of the lens is strongly exaggerated 5 at the sensor 30th of the prior art, for example, does not suffice to achieve the variation of several millimeters in the focal position necessary for measuring an internal thread solely by changing the position of the axicon 3 to provide.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, ein optisches Element 5f bereitzustellen, welches anstatt oder zusätzlich zur Linse 5 eine Variation der Fokuslage um mehrere Millimeter bei einer Ortsänderung der auf das Element 5f auftreffenden Lichtstrahlen ermöglicht. Ein solches Element 5f kann nun ein diffraktives optisches Element (DOE) und / oder ein optisches Element mit einer Freiformoptik sein. Beide genannten optischen Elemente oder auch ein Element, welches beide genannten Eigenschaften vereint, sind bzw. ist in der Lage, abhängig von jeweiligen Auftreffort der Strahlen auf dem Element eine entsprechende Fokuslage bereitzustellen. Bei dem optischen Element mit Freiformoptik wäre es zum Beispiel denkbar, eine rotationssymmetrische asphärische Oberflächenform analog der für Spiegelteleskope bekannten Schmidtplatte zu wählen. Eine solche Schmidtplatte lässt sich kostengünstig herstellen. Auch Hologramme, insbesondere sogenannte Computer generierte Hologramme (CGH) werden im Rahmen dieser Anmeldung unter den Begriff diffraktive optische Elemente subsummiert.The invention therefore proposes an optical element 5f provide which instead of or in addition to the lens 5 a variation of the focus position by several millimeters when changing the location of the element 5f allows incident light rays. One such element 5f can now be a diffractive optical element (DOE) and / or an optical element with free-form optics. Both mentioned optical elements or also an element which combines both mentioned properties are or is able to provide a corresponding focus position depending on the respective point of impact of the rays on the element. In the case of the optical element with free-form optics, it would be conceivable, for example, to choose a rotationally symmetrical aspherical surface shape similar to the Schmidt plate known for mirror telescopes. Such a Schmidt plate can be manufactured inexpensively. Holograms, in particular so-called computer-generated holograms (CGH), are also subsumed under the term diffractive optical elements in the context of this application.
Der erfindungsgemäße Sensor 31 a bzw. das erfindungsgemäße Beleuchtungsmodul 41a der 2 zeichnet sich somit dadurch aus, dass ein diffraktives optisches Element 5f und / oder ein optisches Element mit einer Freiformoberfläche 5f zumindest auf dem Hinweg des Lichts zur Oberfläche 7a des Werkstücks 7 zwischen der mindestens einen Lichtquelle 1 und der Oberfläche 7a des Werkstücks 7 angeordnet ist, wobei zwischen der mindestens einen Lichtquelle 1 und dem diffrativen optischen Element 5f und / oder dem optischen Element mit der Freiformoberfläche 5f ein bewegliches und / oder veränderbares optisches Element 3 angeordnet ist und wobei mit Hilfe des beweglichen und / oder veränderbaren optischen Elements 3 der Auftreffort des Lichts auf dem diffraktiven optischen Element 5f und / oder dem optischen Element mit der Freiformoberfläche 5f zumindest auf dem Hinweg von der mindestens einen Lichtquelle 1 zu der Oberfläche 7a des zu vermessenden Werkstücks 7 verändert werden kann.The sensor according to the invention 31 a or the lighting module according to the invention 41a of the 2 is thus characterized by the fact that a diffractive optical element 5f and / or an optical element with a free-form surface 5f at least on the way of the light to the surface 7a of the workpiece 7th between the at least one light source 1 and the surface 7a of the workpiece 7th is arranged, wherein between the at least one light source 1 and the differential optical element 5f and / or the optical element with the free-form surface 5f a movable and / or changeable optical element 3 is arranged and with the aid of the movable and / or changeable optical element 3 the point of incidence of the light on the diffractive optical element 5f and / or the optical element with the free-form surface 5f at least on the way there from the at least one light source 1 to the surface 7a of the workpiece to be measured 7th can be changed.
Die Fokusvariation beträgt dabei bei dem erfindungsgemäßen Sensor 31 a bzw. dem erfindungsgemäßen Beleuchtungsmodul 41a zwischen 0,5 und 200 mm, um sowohl Innengewinde als auch Zylinderbohrungen innerhalb von Motorblöcken vermessen zu können. Entsprechende diffraktive optische Elemente 5f und / oder optische Elemente mit einer Freiformoptik 5f, die eine Brennweitenvariation von 200 mm aufweisen, sind ohne großen technologischen Aufwand für den sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Wellenlängenbereich herstellbar. Zum Beispiel sind Spritzgussformen zur Herstellung asphärischer Kunststofflinsen für Digitalkameras seit vielen Jahren bekannt.The focus variation is in the sensor according to the invention 31 a or the lighting module according to the invention 41a between 0.5 and 200 mm in order to be able to measure both internal threads and cylinder bores within engine blocks. Corresponding diffractive optical elements 5f and / or optical elements with free-form optics 5f that have a focal length variation of 200 mm can be produced without great technological effort for the visible, ultraviolet or infrared wavelength range. For example, injection molds for making aspherical plastic lenses for digital cameras have been known for many years.
Als optisches Element mit einer Freiformoptik 5f werden auch toroidale optische Element wie zum Beispiel eine Ringlinse oder eine Anordnung mehrerer ineinander geschachtelter separater Ringlinsen verstanden. Dementsprechend kann ein optisches Element mit Freiformoptik 5f auch aus nebeneinander angeordneten einzelnen optischen Elementen bestehen, deren optisch wirksamen Flächen Teilabschnitte einer Freiformoberfläche darstellen.As an optical element with a free-form look 5f toroidal optical elements such as a ring lens or an arrangement of several separate ring lenses nested inside one another are also understood. Accordingly, an optical element with free-form optics 5f also consist of individual optical elements arranged next to one another, the optically effective surfaces of which represent sections of a free-form surface.
Alternativ zu einem in der 2 dargestellten Axikon 3 kann auch ein sogenanntes refraktives optisches Element eingesetzt werden, dessen Oberflächenparzellen entsprechend einer Fresnellinse lokal die Neigung der Axikonflächen nachbilden. Ferner kann die Funktionalität eines Axikons 3 auch durch ein diffraktives optisches Element nachgebildet werden. Beide genannten Alternativen sind jedoch mit erhöhten Herstellkosten verbunden.Alternatively to one in the 2 shown axicon 3 A so-called refractive optical element can also be used, the surface parcels of which, corresponding to a Fresnel lens, locally simulate the inclination of the axicon surfaces. Furthermore, the functionality of an axicon 3 can also be simulated by a diffractive optical element. However, both alternatives mentioned are associated with increased manufacturing costs.
Die Auswertung der am Detektor 10 des erfindungsgemäßen Sensors 31a aufgenommenen Intensitätssignale kann entsprechend der oben im Zusammenhang mit dem Sensor 30 der 1 bereits besprochenen Methoden erfolgen. Hierbei kann insbesondere für konfokale Methoden eine Ringblende 8 statt der in der 2 dargestellten Blende 8 eingesetzt werden.The evaluation of the detector 10 of the sensor according to the invention 31a recorded intensity signals can correspond to the above in connection with the sensor 30th of the 1 methods already discussed. A ring diaphragm can be used here, especially for confocal methods 8th instead of the one in the 2 aperture shown 8th can be used.
Die 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Sensor 31b bzw. ein Beleuchtungsmodul 41b bei dem das axial bewegliche Axikon 3 gegen eine veränderbare Mehrfachspiegelanordnung (Multi-Mirror-Array, MMA) getauscht wurde. Diese Mehrfachspiegelanordnung MMA kann durch andere Winkelstellungen der einzelnen Mikro-Kippspiegel den Auftreffort auf dem optischen Element 5f und somit dessen Fokuslage variieren. Da Mehrfachspiegelanordnungen für Projektoren in ihrer Funktionsweise hinlänglich bekannt sind, wird auf eine eingehende Diskussion im Rahmen dieser Anmeldung verzichtet. Mehrfachspiegelanordnungen MMAs können als separate Einheiten kostengünstig von verschiedenen Herstellern inklusiver entsprechender Ansteuersoftware bezogen werden. Dabei könne diese für Projektoren vorgesehenen MMAs direkt auch für den erfindungsgemäßen Sensor 31b bzw. das erfindungsgemäße Beleuchtungsmodul 41b eingesetzt werden, da die optischen Anforderungen an Baugröße, Kippwinkel, Größe der Mikrospiegel und Wellenlängen sich bei dem Sensor 31b bzw. dem Beleuchtungsmodul 41b nicht von denjenigen Anforderung eines Projektors zur Projektion eines Computerbildschirms auf eine Leinwand unterscheiden.The 3 shows a second exemplary embodiment for a sensor according to the invention 31b or a lighting module 41b in which the axially movable axicon 3 against a variable multiple mirror arrangement (multi-mirror array, MMA ) was exchanged. This multiple mirror arrangement MMA The point of impact on the optical element can be determined by different angular positions of the individual tilting mirrors 5f and thus vary its focus position. Since multiple mirror arrangements for projectors are sufficiently known in terms of their mode of operation, a detailed discussion is dispensed with in the context of this application. Multiple mirror arrangements MMAs can be obtained inexpensively as separate units from various manufacturers, including appropriate control software. These MMAs provided for projectors can also be used directly for the sensor according to the invention 31b or the lighting module according to the invention 41b can be used because the optical requirements in terms of size, tilt angle, size of the micromirrors and wavelengths are different for the sensor 31b or the lighting module 41b indistinguishable from the requirement of a projector to project a computer screen onto a screen.
Die 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Sensor 31c bzw. Beleuchtungsmodul 41c bei dem gegenüber der 3 die Funktion des optischen Elements 5f in die Oberflächenform des Umlenkelements 6f integriert wurde. Dieses Umlenkelement 6f hat eine Freiformoberfläche, deren Fokuslagen davon abhängig sind an welchen Auftrefforten beim Umlenkelement 6f die Strahlen umgelenkt werden.The 4th shows a third embodiment of a sensor according to the invention 31c or lighting module 41c at the opposite of the 3 the function of the optical element 5f into the surface shape of the deflection element 6f was integrated. This deflection element 6f has a free-form surface, the focus positions of which depend on the points of impact at the deflecting element 6f the rays are deflected.
Insbesondere ein Umlenkelement 6f, bei dem die rotationssymmetrische und asphärische Freiformoberfläche mit einer die Symmetrieachse der Freiformoberfläche enthaltenen Ebene eine Schnittkurve aufweist und diese Schnittkurve zumindest Teilweise einem Kurvenabschnitt einer Spirale entspricht und die Spirale gegeben ist aus der Gruppe: Corny-, Euler- oder Klothoiden-Spirale, bietet die Möglichkeit, von kontinuierlich mit dem Auftreffort sich verändernden Fokuslagen. Spiralkurven weisen in der Regel sich kontinuierlich mit der Bogenlänge verändernde Krümmungen und damit kontinuierlich mit dem Auftreffort veränderliche Fokuslagen auf. Repräsentativ für diese vielen unterschiedlichen Fokuslagen sind in der 4 nur zwei unterschiedliche Fokuslagen mit den Vektoren b und B sowie die daraus resultierenden Ortsverschiebungen auf dem Detektor 10 mit den Vektoren c und C dargestellt.In particular a deflection element 6f , in which the rotationally symmetrical and aspherical free-form surface has an intersection curve with a plane containing the axis of symmetry of the free-form surface and this intersection curve at least partially corresponds to a curve section of a spiral and the spiral is given from the group: Corny, Euler or clothoid spiral, offers the Possibility of focusing positions that change continuously with the point of impact. Spiral curves generally have curvatures that change continuously with the length of the arc and thus focus positions that change continuously with the point of impact. These many different focus positions are representative of the 4th only two different focus positions with the vectors b and B as well as the resulting shifts in position on the detector 10 shown with vectors c and C.
Allerdings kann die Freiformoberfläche statt an der Unterseite des transparenten Zylinders 6 in Form einer verspiegelten Oberfläche 6f als Umlenkelement auch an der Oberseite und / oder der Mantelfläche der Zylinders 6 ausgebildet sein. Alternativ kann die Fokusvariation auch durch ein an der Oberseite und / oder der Mantelfläche des Zylinders 6 ausgebildetes diffraktives optische Element realisiert werden. Ferner können entsprechend verschieden ausgebildete Zylinder 6 durch eine in den Figuren nicht dargestellte Wechselschnittstelle zwischen den Elementen 4 und 5 oder den Elemente 5 und 6 gegeneinander ausgewechselt werden. Darüber hinaus können mechanische Schutzhülsen für die Zylinder 6 vorgesehen werden. Bei der Verwendung von optisch transparentem Material für diese mechanischen Schutzhülsen können unterschiedliche Wandstärken und / oder unterschiedliche Brechungsindizes dieser Schutzhülsen zur weiteren Anpassung an unterschiedliche Bohrlochdurchmesser genutzt werden. Insofern sind entsprechend austauschbare Schutzhülsen zur weiteren adaptiven Anpassung denkbar.However, the free-form surface can be placed on the underside of the transparent cylinder 6th in the form of a mirrored surface 6f as a deflection element also on the top and / or the lateral surface of the cylinder 6th be trained. Alternatively, the focus variation can also be achieved by means of an on top and / or the lateral surface of the cylinder 6th formed diffractive optical element can be realized. Furthermore, differently designed cylinders can be used 6th by a change interface between the elements, not shown in the figures 4th and 5 or the elements 5 and 6th be exchanged for each other. In addition, mechanical protective sleeves for the cylinder 6th are provided. When using optically transparent material for this mechanical Protective sleeves, different wall thicknesses and / or different refractive indices of these protective sleeves can be used for further adaptation to different borehole diameters. In this respect, correspondingly exchangeable protective sleeves for further adaptive adjustment are conceivable.
Für eine Vermessung von rotationsymmetrischen Bohrlöchern oder Innengewinden weist bei den erfindungsgemäßen optischen Sensoren der 2 bis 6 das diffraktive optische Element 5f eine rotationssymmetrische Beugungscharakteristik auf und / oder besitzt das optische Element mit einer Freiformoberfläche 5f; 6f eine rotationssymmetrische Freiformoberfläche, so dass bei einer Einstellung des beweglichen und / oder veränderbaren optischen Elements MMA; 3 dahingehend, dass die Auftrefforte des Lichts einen konstanten Abstand zur Symmetrieachse des diffraktiven optischen Elements 5f und / oder des optischen Elements mit Freiformoberfläche 5f; 6f aufweisen, der hieraus resultierende, zumindest teilweise bogenförmige, insbesondere ringförmig geschlossene Fokusbereich des Sensors zur Vermessung von Innenwänden 7a von Bohrungen oder Innengewinden des Werkstücks 7 einen konstanten radialen Abstand zum optischen Sensor aufweist.For a measurement of rotationally symmetrical boreholes or internal threads, FIG 2 to 6th the diffractive optical element 5f a rotationally symmetrical diffraction characteristic and / or has the optical element with a free-form surface 5f ; 6f a rotationally symmetrical free-form surface, so that when the movable and / or changeable optical element is set MMA ; 3 to the effect that the points of incidence of the light are a constant distance from the axis of symmetry of the diffractive optical element 5f and / or the optical element with a free-form surface 5f ; 6f have, the resulting, at least partially arcuate, in particular ring-shaped closed focus area of the sensor for measuring inner walls 7a of bores or internal threads of the workpiece 7th has a constant radial distance from the optical sensor.
Vorteilhaft ist das optische Element mit Freiformoberfläche 6f in Form eines Zylinders 6 bei den erfindungsgemäßen optischen Sensoren bzw. Beleuchtungsmodulen der 4 bis 6 als Umlenkelement ausgebildet, dessen Unterseite mit einer Spiegelbeschichtung versehen ist und durch die Freiformoberfläche 6f gebildet wird. Die verspiegelte Freiformoberfläche 6f wird somit durch den sie umgebenden Zylinder 6 vor Kratzern und anderen Beschädigung bei Kollisionen mit dem Werkstück 7 ausreichend geschützt.The optical element with a free-form surface is advantageous 6f in the form of a cylinder 6th in the case of the optical sensors or lighting modules according to the invention 4th to 6th designed as a deflecting element, the underside of which is provided with a mirror coating and through the freeform surface 6f is formed. The mirrored free-form surface 6f is thus through the cylinder surrounding it 6th from scratches and other damage in the event of collisions with the workpiece 7th adequately protected.
Die 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors 31d bzw. Beleuchtungsmoduls 41d basierend auf der Weißlichtinterferometrie, ebenfalls bekannt als optisches Kohärenzradar oder OCT. Der Grundaufbau des in 5 gezeigten Sensors 31d entspricht dem in 4 gezeigten Sensor 31c. Eine Mehrfachspiegelanordnung MMA sorgt im Zusammenspiel mit einem Umlenkelement 6f mit Freiformoberfläche für eine Fokusvariation innerhalb des Bohrlochs 7. Allerding sorgt der Strahlteiler 4a bei dem Ausführungsbeispiel des Sensors 31d der 5 dafür, dass nur anteilig Licht von der Lichtquelle 1 kommend in den Detektionsstrahlengang in Richtung des Element 6f umgelenkt wird. Der restliche Teil des Lichts passiert den Strahlteiler 4a und gelangt somit in den Referenzstrahlengang in Richtung eines Referenzspiegels R. Hierbei ist anzumerken, dass aufgrund der Darstellung der 5 im DIN A4 Format der Referenzstrahlengang verkürzt gegenüber dem Detektionsstrahlengang dargestellt ist.The 5 shows a further embodiment of a sensor according to the invention 31d or lighting module 41d based on white light interferometry, also known as optical coherence radar or OCT. The basic structure of the in 5 shown sensor 31d corresponds to in 4th shown sensor 31c . A multiple mirror arrangement MMA ensures in interaction with a deflection element 6f with free-form surface for a focus variation within the borehole 7th . However, the beam splitter takes care of it 4a in the embodiment of the sensor 31d of the 5 ensuring that only part of the light comes from the light source 1 coming into the detection beam path in the direction of the element 6f is diverted. The rest of the light passes through the beam splitter 4a and thus gets into the reference beam path in the direction of a reference mirror R. . It should be noted here that due to the representation of the 5 in A4 format the reference beam path is shown shortened compared to the detection beam path.
Mit dem in 5 dargestellten Grundaufbau eines Michelson-Interferometers können im Zusammenhang mit einer Weißlichtquelle 1, zum Beispiel einer Superlumineszenzdiode und eines, durch zum Beispiel Piezo-Aktuatoren in Lichtrichtung verstellbaren Referenzspiegels R die Intensitätssignale am Detektor 10 in Abhängigkeit von der Referenzspiegelposition ausgewertet werden. Dabei resultieren die Intensitätssignale des Detektors 10 aus einer Überlagerung des aus dem Referenzstrahlengang und dem Detektionsstrahlengang kommenden reflektierten Lichts durch den Strahlteiler 4a mittels der Linse 9. Stimmen die Lichtwege im Referenzstrahlengang und im Detektionsstrahlengang überein, so ergibt sich eine konstruktive Interferenz des Lichts und damit ein Intensitätssignal am Detektor. Mit zunehmendem Weglängenunterschied Δz zwischen dem Detektionsstrahlengang und dem Referenzstrahlengang nimmt dieses Intensitätssignal am Detektor jedoch ab. Mit dem in der 5 dargestellten optischen Sensor 31d kann folglich das zusammengesetzte Signal am Detektor 10 als Interferenzsignal im Zeitbereich (englisch time domain, TD) in Abhängigkeit mit dem zeitlich variierenden Abstand des Referenzspiegels R zum Strahlteiler 4a analysiert werden. Der Referenzspiegel R wird hierzu zum Beispiel durch Piezo-Aktuatoren zu Schwingungen um seine Nullposition angeregt und das entsprechende Interferenzsignal wird in Abhängigkeit der Position des Spiegels ermitteln. Die Nullposition des Referenzspiegels R kann dabei durch die Piezo-Aktuatoren oder weitere zusätzliche Aktuatoren auf die jeweils eingestellte Fokuslage abgestimmt werden. Ferner ist es denkbar alternativ einen rotationsymmetrisch gestuften Referenzspiegel zu verwenden, wobei jede Stufe einer anderen Fokuslage entspricht.With the in 5 The basic structure of a Michelson interferometer shown can be used in connection with a white light source 1 , for example a superluminescent diode and a reference mirror that can be adjusted in the direction of light by piezo actuators, for example R. the intensity signals at the detector 10 can be evaluated depending on the reference mirror position. This results in the intensity signals of the detector 10 from a superposition of the reflected light coming from the reference beam path and the detection beam path by the beam splitter 4a by means of the lens 9 . If the light paths in the reference beam path and in the detection beam path match, this results in constructive interference of the light and thus an intensity signal at the detector. However, as the path length difference Δz between the detection beam path and the reference beam path increases, this intensity signal at the detector decreases. With the one in the 5 illustrated optical sensor 31d can consequently the composite signal at the detector 10 as an interference signal in the time domain (TD) as a function of the time-varying distance between the reference mirror R. to the beam splitter 4a to be analyzed. The reference mirror R. is excited to oscillate around its zero position by piezo actuators, for example, and the corresponding interference signal is determined as a function of the position of the mirror. The zero position of the reference mirror R. The piezo actuators or other additional actuators can be used to adjust the focus position. Furthermore, it is alternatively conceivable to use a rotationally symmetrically stepped reference mirror, each step corresponding to a different focus position.
Alternativ zu dem in 5 dargestellten Grundaufbau kann bei feststehendem Referenzspiegel R der optische Sensor 31d zwischen dem Strahlteiler 4a und dem Detektor 10 auch Mittel zur spektralen Trennung des zusammengesetzten Signals aufweisen, so dass am Detektor 10 das zusammengesetzte Signal als ein in mehrere spektrale Kanäle zerlegtes Interferenzsignal (englisch frequency domain, FD) analysiert werden kann. Hierzu kann der Detektor 10 in mehrere Bereiche unterteilt sein, die für unterschiedliche Wellenlängen die unterschiedlichen Interferenzsignal aufnehmen oder es können mehrere Detektoren 10 nebeneinander oder auch räumlich zueinander versetzt zum Einsatz kommen. Durch die Analyse verschiedener Interferenzsignale bei verschiedenen Wellenlängen kann ermittelt werden, welche Wellenlänge bei dem feststehenden Referenzspiegel R zu einer entsprechenden Interferenz geführt hat. In der Regel wird hierzu eine Fourier-Transformation des Frequenzspektrums durchgeführt, um daraus die entsprechende Rauminformation zu erhalten. Hieraus lässt sich dann auf die Länge des Detektionsstrahlengangs und damit auf den Abstand der zu vermessenden Oberfläche schließen.As an alternative to the in 5 The basic structure shown can be used with a fixed reference mirror R. the optical sensor 31d between the beam splitter 4a and the detector 10 also have means for spectral separation of the composite signal so that at the detector 10 the composite signal can be analyzed as an interference signal (frequency domain, FD) broken down into several spectral channels. The detector can do this 10 be subdivided into several areas that record the different interference signals for different wavelengths or several detectors can be used 10 next to each other or also spatially offset to each other. By analyzing different interference signals at different wavelengths, it can be determined which wavelength is at the fixed reference mirror R. has led to a corresponding interference. Usually a Fourier transformation of the frequency spectrum is used for this carried out in order to obtain the corresponding spatial information from it. The length of the detection beam path and thus the distance between the surface to be measured can then be deduced from this.
Zu den weiterführenden Details der Messmethoden TD-OCT und FD-OCT wird auf Fachliteratur und insbesondere im Zusammenhang mit der Koordinatenmesstechnik auf die Offenlegungsschriften DE 10 2004 012 426 und US 2010/0312524 sowie die dort zitierten Referenzen verwiesen.For further details of the TD-OCT and FD-OCT measurement methods, reference is made to the specialist literature and, in particular, in connection with coordinate measurement technology, to the published documents DE 10 2004 012 426 and US 2010/0312524 as well as the references cited there.
Die 6 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Beleuchtungsmodul 41e für einen erfindungsgemäßen Sensor 31e. Das Beleuchtungsmodul 41e der 6 ist im Unterschied zu den wechselbaren Beleuchtungsmodule der 2 bis 5 nachrüstbar gestaltet, so dass dieses an bereits bestehende optische Systeme angeschlossen werden kann. Das in 6 dargestellte Beleuchtungsmodul 41e unterscheidet sich gegenüber den in den 2 bis 5 dargestellten Beleuchtungsmodulen darin, dass es nicht die Linse 5 enthält und somit der restliche Teil des Sensors 31e mit der Linse 5 auch ohne das Beleuchtungsmodul ein vollständiges optisches System zur optischen Vermessung von Werkstücken 7 bildet. Damit ist das in 6 dargestellte Beleuchtungsmodul 41e an bereits vorhandene optische Systeme ankoppelbar, um diese Systeme mit einer Funktionalität zur Vermessung von Bohrlöchern oder Innengewinden auszustatten bzw. nachzurüsten. Entsprechende optische Systeme sind zum Beispiel in den Veröffentlichungen WO 2014/023332 und WO 2014/023780 offenbart. Zur Ankopplung weist das Beleuchtungsmodul 41e eine nicht näher dargestellte Wechselschnittstelle auf, mit der es an bestehende optische Systeme manuell oder automatisiert angekoppelt werden kann. Diese Wechselschnittstelle kann entsprechend der Wechselschnittstelle der Beleuchtungsmodule bzw. Sensoren der 2 bis 5 ausgeführt sein. Entsprechende Wechselschnittstellen sind zum Beispiel aus der Offenlegungsschrift WO 2013/167167 bekannt. Es versteht sich, dass das in 6 dargestellte Beleuchtungsmodul 41e nicht auf die dargestellte Bauform beschränkt ist, sondern jede im Zusammenhang mit den 2 bis 5 diskutierte Bauform eines Beleuchtungsmoduls aufweisen kann.The 6th shows a further lighting module according to the invention 41e for a sensor according to the invention 31e . The lighting module 41e of the 6th is in contrast to the interchangeable lighting modules the 2 to 5 designed to be retrofittable, so that it can be connected to existing optical systems. This in 6th illustrated lighting module 41e differs from those in the 2 to 5 illustrated lighting modules in that it is not the lens 5 and thus the rest of the sensor 31e with the lens 5 A complete optical system for optical measurement of workpieces even without the lighting module 7th forms. So that's in 6th illustrated lighting module 41e Can be coupled to existing optical systems in order to equip or retrofit these systems with functionality for measuring boreholes or internal threads. Corresponding optical systems are for example in the publications WO 2014/023332 and WO 2014/023780 disclosed. The lighting module 41e a change interface, not shown, with which it can be coupled manually or automatically to existing optical systems. This changeover interface can correspond to the changeover interface of the lighting modules or sensors 2 to 5 be executed. Corresponding changeover interfaces are, for example, from the laid-open specification WO 2013/167167 known. It goes without saying that in 6th illustrated lighting module 41e is not limited to the design shown, but each in connection with the 2 to 5 may have discussed design of a lighting module.
Die 2 bis 6 offenbaren folglich Beleuchtungsmodule 41a bis 41e für einen optischen Sensor 31a bis 31e zur Erfassung von Oberflächenkoordinaten eines Werkstücks 7 mittels eines Koordinatenmessgeräts umfassend mindestens eine Lichtquelle 1 sowie optische Elemente 2, MMA; 3, 4; 4a; 5; 6, 6a; 6f zur Führung des Lichts einerseits auf dem Hinweg von der mindestens einen Lichtquelle 1 auf die Oberfläche 7a des zu vermessenden Werkstücks 7 und andererseits auf dem Rückweg von der Oberfläche 7a des zu vermessenden Werkstücks 7 zu mindestens einem Detektor 10 des optischen Sensors 31a bis 31e, wobei einige der genannten optischen Elemente 4; 4a; 5; 6, 6a; 6f sowohl für die Strahlführung auf dem Hinweg als auch für die Strahlführung auf dem Rückweg genutzt werden und wobei mindestens eines dieser genannten optischen Elemente 6a; 6f ein Umlenkelement 6a; 6f ist, das auf dem Hinweg für eine Umlenkung des Lichts auf die Oberfläche 7a des zu vermessenden Werkstücks 7 und auf dem Rückweg für eine Umlenkung des Lichts zu dem mindestens einen Detektor 10 sorgt, wobei auf dem Hinweg durch das Umlenkelement 6a; 6f der Fokusbereich des Sensors 31 a bis 31e zumindest teilweise bogenförmig ausgebildet wird und wobei ein diffraktives optisches Element 5f und / oder ein optisches Element mit einer Freiformoberfläche 5f; 6f zumindest auf dem Hinweg des Lichts zur Oberfläche 7a des Werkstücks 7 zwischen der mindestens einen Lichtquelle 1 und der Oberfläche 7a des Werkstücks 7 angeordnet ist, wobei zwischen der mindestens einen Lichtquelle 1 und dem diffrativen optischen Element 5f und / oder dem optischen Element mit der Freiformoberfläche 5f; 6f eine bewegliches und / oder veränderbares optisches Element MMA; 3 angeordnet ist und wobei mit Hilfe des beweglichen und / oder veränderbaren optischen Elements MMA; 3 der Auftreffort des Lichts auf dem diffraktiven optischen Element 5f und / oder dem optischen Element mit der Freiformoberfläche 5f; 6f zumindest auf dem Hinweg von der mindestens einen Lichtquelle 1 zu der Oberfläche 7a des zu vermessenden Werkstücks 7 verändert werden kann.The 2 to 6th consequently disclose lighting modules 41a to 41e for an optical sensor 31a to 31e for the acquisition of surface coordinates of a workpiece 7th by means of a coordinate measuring machine comprising at least one light source 1 as well as optical elements 2 , MMA ; 3 , 4th ; 4a ; 5 ; 6th , 6a ; 6f for guiding the light on the one hand on the way there from the at least one light source 1 on the surface 7a of the workpiece to be measured 7th and on the other hand on the way back from the surface 7a of the workpiece to be measured 7th to at least one detector 10 of the optical sensor 31a to 31e , with some of the said optical elements 4th ; 4a ; 5 ; 6th , 6a ; 6f be used both for the beam guidance on the way there and for the beam guidance on the way back, and at least one of these optical elements mentioned 6a ; 6f a deflection element 6a ; 6f is that on the way for a redirection of light onto the surface 7a of the workpiece to be measured 7th and on the return path for redirecting the light to the at least one detector 10 ensures, on the way there through the deflecting element 6a ; 6f the focus area of the sensor 31 a to 31e is at least partially arcuate and wherein a diffractive optical element 5f and / or an optical element with a free-form surface 5f ; 6f at least on the way of the light to the surface 7a of the workpiece 7th between the at least one light source 1 and the surface 7a of the workpiece 7th is arranged, wherein between the at least one light source 1 and the differential optical element 5f and / or the optical element with the free-form surface 5f ; 6f a movable and / or changeable optical element MMA ; 3 is arranged and with the aid of the movable and / or changeable optical element MMA ; 3 the point of incidence of the light on the diffractive optical element 5f and / or the optical element with the free-form surface 5f ; 6f at least on the way there from the at least one light source 1 to the surface 7a of the workpiece to be measured 7th can be changed.
Es versteht sich, dass bei allen erfindungsgemäßen Sensoren 31 a bis 31e bzw. Beleuchtungsmodulen 41a bis 41e ein Axikon 3 statt einer Mehrfachspiegelanordnung MMA zur Variation der Lichtstrahlauftrefforte und umgekehrt eine Mehrfachspiegelanordnung MMA statt einem Axikon 3 eingesetzt werden kann.It goes without saying that with all sensors according to the invention 31 a to 31e or lighting modules 41a to 41e an axicon 3 instead of a multiple mirror arrangement MMA to vary the light beam incidence and vice versa a multiple mirror arrangement MMA instead of an axicon 3 can be used.
Ferner versteht es sich, dass bei allen erfindungsgemäßen Sensoren 31a bis 31e bzw. Beleuchtungsmodulen 41 a bis 41e ein diffraktives optisches Element 5f und / oder ein optisches Element mit Freiformoberfläche 5f statt einem optischen Umlenkelement mit Freiformoberfläche 6f zur Fokusvariation und umgekehrt eingesetzt werden kann.It is also understood that in all sensors according to the invention 31a to 31e or lighting modules 41 a to 41e a diffractive optical element 5f and / or an optical element with a free-form surface 5f instead of an optical deflection element with a free-form surface 6f can be used for focus variation and vice versa.
Darüber hinaus versteht es sich, dass bei den erfindungsgemäßen Sensoren 31a; 31b; 31c und 31e bzw. Beleuchtungsmodulen 41a; 41b; 41c und 41e alternativ zu der bei dem Ausführungsbeispiel der 4 beschriebenen Superlumineszenz-Diode auch Laser, LED (UV, VIS, IR), Glüh-, Halogen- oder (Kurz-) Bogenlampen als Lichtquelle 1 eingesetzt werden können. Durch die Verwendung einer breitbandigen Lichtquelle lässt sich auch ein gezielter chromatische Längsfehler der verwendeten Optik bei den erfindungsgemäßen Sensoren 31a; 31b; 31c und 31e bzw. Beleuchtungsmodulen 41a; 41b; 41c und 41e dahingehend für eine konfokale Messtechnik verwenden, dass Aufnahmen von Bildern mit Farbauszügen oder auch durch pixelweise Farbmessung mit entsprechenden Sensoren ausgeführt werden. Ferner können die unterschiedlichen Wellenlängen aufgrund ihrer unterschiedlichen Streueigenschaften auch für ortsaufgelöste Rauheitsmessungen, zum Beispiel über die parallele Messung von unterschiedlichen Farbauszügen genutzt werden.In addition, it goes without saying that with the sensors according to the invention 31a ; 31b ; 31c and 31e or lighting modules 41a ; 41b ; 41c and 41e alternatively to that in the embodiment of 4th Superluminescent diode described also laser, LED (UV, VIS, IR), incandescent, halogen or (short) arc lamps as a light source 1 can be used. By using a broadband light source, a specific chromatic longitudinal error of the optics used in the sensors according to the invention can also be achieved 31a ; 31b ; 31c and 31e or lighting modules 41a ; 41b ; 41c and 41e Use for a confocal measuring technique to the effect that recordings of images with color separations or also by pixel-by-pixel color measurement are carried out with appropriate sensors. Furthermore, due to their different scattering properties, the different wavelengths can also be used for spatially resolved roughness measurements, for example via the parallel measurement of different color separations.
Mit Hilfe der in den 2 bis 6 dargestellten Sensoren und Beleuchtungsmodulen lassen sich Bohrlöcher und insbesondere Innengewinde eines Werkstücks (7) mittels eines Koordinatenmessgeräts vermessen, indem in einem ersten Schritt der Sensor bzw. das Beleuchtungsmodul durch das Koordinatenmessgerät an eine gewünschte Position innerhalb des Bohrlochs bzw. Innengewindes des Werkstücks (7) verfahren wird und indem in einem zweiten Schritt mit Hilfe eines beweglichen und / oder veränderbaren optischen Elements (MMA; 3) des Sensors bzw. des Beleuchtungsmoduls der Auftreffort des Lichts der mindestens einen Lichtquelle (1) auf einem diffraktiven optischen Element (5f) und / oder einem optischen Element mit der Freiformoberfläche (5f; 6f) des Sensors bzw. des Beleuchtungsmoduls zumindest auf dem Hinweg von der mindestens einen Lichtquelle (1) zu der Oberfläche (7a) des zu vermessenden Werkstücks (7) derart verändert wird, dass die zur Vermessung vorgesehenen Teilbereiche der Oberfläche (7a) des Werkstücks in den Fokusbereich des Sensors bzw. Beleuchtungsmoduls gelangen.With the help of the 2 to 6th The sensors and lighting modules shown can be used to drill holes and in particular internal threads of a workpiece ( 7th ) measured by means of a coordinate measuring machine by, in a first step, the sensor or the lighting module through the coordinate measuring machine to a desired position within the borehole or internal thread of the workpiece ( 7th ) and in a second step with the help of a movable and / or changeable optical element ( MMA ; 3 ) of the sensor or the lighting module the point of impact of the light from the at least one light source ( 1 ) on a diffractive optical element ( 5f) and / or an optical element with the free-form surface ( 5f ; 6f) of the sensor or the lighting module at least on the way from the at least one light source ( 1 ) to the surface ( 7a) of the workpiece to be measured ( 7th ) is changed in such a way that the sub-areas of the surface intended for measurement ( 7a) of the workpiece come into the focus area of the sensor or lighting module.
Dabei werden in einem dritten Schritt Intensitätssignale aus dem Fokusbereich des Sensors bzw. des Beleuchtungsmoduls von einem flächenmäßig zur Erfassung von Intensitätssignalen ausgebildetem Detektor (10) in Abhängigkeit der Stellung des beweglichen und / oder veränderbaren optischen Elements (MMA; 3) des Sensors bzw. des Beleuchtungsmoduls und / oder in Abhängigkeit der Stellung eines in seiner Normalenrichtung beweglichen Referenzspiegels (R) des Sensors bzw. Beleuchtungsmoduls und / oder in Abhängigkeit der Frequenz bzw. Wellenlänge des von dem Detektor (10) erfassten Lichts ermittelt.In a third step, intensity signals from the focus area of the sensor or the lighting module are recorded by a detector designed to detect intensity signals ( 10 ) depending on the position of the movable and / or changeable optical element ( MMA ; 3 ) of the sensor or the lighting module and / or depending on the position of a reference mirror that is movable in its normal direction ( R. ) of the sensor or lighting module and / or depending on the frequency or wavelength of the detector ( 10 ) detected light.
Hierbei kann der zweite Schritt für einen in seinem lateralen Abstand zum Sensor bzw. Beleuchtungsmodul veränderten Fokusbereich bei der Beibehaltung der im ersten Schritt angefahrenen Position oder der erste Schritt für eine andere gewünschte Position innerhalb des Innengewindes bei der Beibehaltung der im zweiten Schritt eingestellten Stellung des beweglichen und / oder veränderbaren optischen Elements (MMA; 3) des Sensors bzw. Beleuchtungsmoduls solange wiederholt durchgeführt werden, bis in dem sich jedes Mal anschließenden dritten Schritt die vollständige Information über die Oberflächendaten des zu vermessenden Abschnitts des Innengewindes vorliegt. Diese Oberflächendaten können dann anschließend durch bekannte Segmentierungstechniken von 3D Punktewolken zur Bestimmung der Geometrie des Messobjektes in die entsprechenden Geometrieelemente wie zum Beispiel Kreis, Ellipse, Zylinder, Ellipsoid usw. zerlegt werden.Here, the second step can be used for a focal area that is changed in its lateral distance from the sensor or lighting module while maintaining the position approached in the first step or the first step for a different desired position within the internal thread while maintaining the position of the movable one set in the second step and / or changeable optical element ( MMA ; 3 ) of the sensor or lighting module can be carried out repeatedly until the complete information about the surface data of the section of the internal thread to be measured is available in the third step that follows each time. This surface data can then be broken down into the corresponding geometric elements such as circle, ellipse, cylinder, ellipsoid, etc. using known segmentation techniques of 3D point clouds to determine the geometry of the measurement object.
Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäßen Sensoren anhand von Gewindenormalen kalibriert bzw. referenziert und / oder auf ein Normal zurückgeführt werden können. Dazu werden Werkstücke mit mehreren genau bekannten Innengewinden auf dem Messtisch eines Koordinatenmessgeräts platziert und es wird das erfindungsgemäße Verfahren mittels der erfindungsgemäßen Sensoren durchgeführt und die erfassten Maße des Innengewindes werden anhand der bekannten Maße der Innengewinde kalibriert.It goes without saying that the method according to the invention or the sensors according to the invention can be calibrated or referenced using thread standards and / or can be traced back to a standard. For this purpose, workpieces with several precisely known internal threads are placed on the measuring table of a coordinate measuring machine and the method according to the invention is carried out using the sensors according to the invention and the recorded dimensions of the internal thread are calibrated using the known dimensions of the internal threads.
