DE10049382A1 - Optoelektronische Messanordnung zur Messung der Randparameter von Brillengläsern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine optoelektronische Messanordnung zur Vermessung der Geometrie von Linsenrädern, bestehend aus einer Beleuchtungseinheit (2, 3) und einer Beobachtungseinheit (30, 6, 7), die unter einem Triangulationswinkel (8) und unter Einhaltung der Scheimpflugbedingung zur Beleuchtungsanordnung angeordnet ist. Eine einfache Messung wird dadurch begünstigt, dass zur Messung die Linse um eine Drehachse (31) relativ gegen die Messanordnung gedreht wird, die Beleuchtungseinheit zu einem Lichtband aufgeweitet ist, das einen Lichtschnitt in etwa senkrecht zur Drehebene der Linse bildet (Fig. 1a).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optoelektronische Meßanordnung zur Messung der Randparameter von Brillengläsern.

Brillengläser werden in sehr großer Zahl hergestellt. Da die Gläser bezogen auf den Patienten hergestellt werden und neben den optischen Daten auch Design-Gesichtspunkte von großer Bedeutung sind, sind gleiche Linsen kaum zu finden. Um eine Linse in die Brillenfassung einsetzen zu können, müssen die Höhe und Form des Brillenrandes, die Form und Lage der Fassette am Brillenrand und der Umfang des Brillenrandes bekannt sein.

Die Messung dieser Parameter soll nach Möglichkeit berührungslos erfolgen. Der Meßaufbau sollte kompakt sein, um die Meßvorrichtung in die Bearbeitungsmaschine integrieren zu können. Da die Lage des Brillenrandes im Abstand r bezogen auf eine Drehachse (Drehpunkt) als r(ϕ) dargestellt wird, sollten auch die Messungen der Randparameter (Randlage, Randhöhe, Fassettenlage, Fassettenform) auf den Drehwinkel ϕ bezogen werden, während sich die Randlänge kalkulatorisch ergibt.

Für die berührungslose Messung sind optische Meßmethoden besonders geeignet. Bedingt durch die große Vielfalt möglicher Linsenformen (Durchmesser, Dicken, Krümmungen, Materialien), muss das Meßsystem in der Lage sein, bei unterschiedlichen Kontrasten Messungen über einen großen Tiefenbereich in einem entsprechend großen Meßfenster auszuführen. Optisch abbildende Systeme, wie z. B. eine Kamera mit einem Objektiv und einem Bildsensor haben in diesem Fall das Problem, dass sich auf Grund der verschiedenen Linsenradien, der Abstand der Kamera zum Linsenrand stark ändern kann. Dies führt zu unscharfen Abbildungen und Änderungen des Abbildungsmaßstabes. Eine Möglichkeit dies zu ändern bestünde darin, dass das Objektiv, Teile des Objektives, der Aufnahmesensor oder die gesamte Kamera entsprechend nachgeführt würden. Nachteilig an diesen Verfahren ist aber, dass sie relativ langsam sind und der Fokus vor jeder Messung erst gesucht werden müsste.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, dass eine so genannte Triangulations- Meßanordnung verwendet und der Sensor dabei nach der Scheimpflug-Bedingung angeordnet wird. Dabei wird mit einer Beleuchtungseinheit ein Lichtband erzeugt, dass in etwa senkrecht zum Brillenrand verläuft. Dieses Lichtband wird unter dem Triangulationswinkel und unter Einhaltung der Scheimpflug-Bedingung über ein Objektiv auf den Bildempfänger abgebildet. Die Scheimpflug-Bedingung sorgt bei jedem Abstand für eine scharfe Abbildung des Randes auf den Bildsensor, der so mit dem jeweils wirksamen Vergrößerungsmaßstab gemessen werden kann. Da die Vergrößerung als Funktion des Abstandes bekannt ist, können für jeden Meßabstand die tatsächliche Randhöhe sowie die übrigen gesuchten Parameter berechnet werden. Der Abstand ist dabei entweder über die Triangulationsanordnung messbar oder kann als Datensatz z. B. aus dem Fräsprogramm zur Verfügung gestellt werden.

Das Lichtband kann z. B. erzeugt werden, indem ein Lichtbündel über einen Scanner aufgefächert wird, indem ein zylindrisch abbildendes System verwendet wird oder indem beugende Elemente verwendet werden.

Optisch erscheint der Linsenrand als diffus streuendes Element. Das Glas oder der Kunststoff kann dabei gerade an der oberen und unteren Kante des Linsenrandes zu sehr geringen Reflektionsgraden führen, da sich kleine Flächenelemente bilden können, an denen das Licht gerichtet reflektiert wird und deren Orientierung dazu führt, das dieses Licht nicht in das Objektiv fallen kann. Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch behoben, dass das Beleuchtungsband unter einem Winkel senkrecht zur Beobachtungsebene angeordnet wird. Dies kann dadurch geschehen, dass eine Lichtband über einen Teilerspiegel, Gitter, Foucault- Prisma, . . . in mehrere Teilbänder aufgespalten wird und diese Teilbänder dann über Umlenkspiegel unter den gewünschten Winkeln auf die Oberfläche abgebildet werden.

Reicht die Auflösung des Empfängers nicht aus, um mit einer Messanordnung den gesamten Meßraum zu erfassen, so kann die Kamera dem Linsenrand nachgeführt werden, ohne dabei die grundsätzliche Anordnung zu ändern. Die Nachführung kann langsam erfolgen, da sich der Linsenrand nicht sprungförmig ändert. Natürlich könnte man auch den Abbildungsstrahlengang über einen Kippspiegel führen, um die Kamera nicht verschieben zu müssen.

Ausführungsbeispiele

in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen ist nur die Ermittlung der Randhöhe erläutert. Die Ermittlung der Randlage, Fassettenlage und Form erfolgt analog.

Fig. 1a zeigt eine typische Meßanordnung. Die Lichtquelle 2 wird über ein Objektiv 3 in den Meßbereich 5 abgebildet. Eine Zylinderlinse 4 im Strahlengang sorgt für die Erzeugung eines Lichtbandes in etwa senkrecht zum Rand der Linse 1. Grundsätzlich muss die Beleuchtungseinrichtung nicht direkt auf die Drehachse leuchten. Grundsätzlich wäre es sogar vorteilhaft, wenn Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang gegen in der Meßebene gegen den Linsenrand geneigt wären, um mögliche Abschattungen zu vermeiden. Andererseits sind die Linsendaten als Funktion des Radius und des Drehwinkels gesucht. Die Beleuchtung in Richtung auf die Drehachse vereinfacht deshalb die Auswertung der Messungen.

Objektiv 6 und Empfänger 7 sind gemäß der Scheimpflugbedingung unter dem Winkel 8 zum Meßbereich angeordnet. Das Bild 9' des Randes 9 wird mit dem Empfänger 7 aufgenommen und durch die nachfolgende Bildverarbeitung 10 ermittelt. Aus der Lage 9' der Kante im Bild 7 kann der Abstand des Sensors zur Kante berechnet werden. Wenn diese Messung notwendig ist, ist es vorteilhaft, wenn über eine Zylinderlinse die Anpassung für die Randhöhenmessung von der Abstandsmessung getrennt werden kann.

Durch den Einbau eines Spiegels 30 kann der Strahlengang gefaltet werden, um so zu einem kompakteren Aufbau zu gelangen. Wird dieser Spiegel drehbar eingebaut, so kann damit der Meßbereich verschoben werden. Da die maximale Randdicke kleiner ist als die mögliche Abweichung der Randlage von einer Bezugslage, kann dadurch der Meßunsicherheit für die Einzelmessung verringert werden.

Fig. 1b zeigt den eigentlichen Meßstrahlengang. Das Teilstück 10 des Linsenrandes wird in das Teilbild 10' abgebildet. Die Höhe dieses Teilbildes wird durch die Bildverarbeitung ermittelt. Da der Abstand zwischen Sensor und Rand bestimmt wurde, kann aus der Höhe 10' auf die Höhe des Teilrandes 10 geschlossen werden. Wird die Linse während der Belichtung bewegt, so erscheint - bedingt durch die Scanner - trotzdem ein scharf abgebildetes Helligkeitsband auf dem Empfänger. Durch unterschiedliche Phasenlage zwischen den Scannerstellungen können die untere und obere Kante des Linsenrandes zu unterschiedlichen Winkelstellung ϕ der Linse gehören. Softwaremäßig lässt sich dann die gesuchte Randhöhe interpolieren.

Zum Erreichen einer gleichzeitigen optimalen Auflösung für die Entfernungsmessung und die Randhöhenmessung kann es vorteilhaft sein, die beiden in Fig. 1a und Fig. 1b dargestellten Strahlengänge dadurch zu entkoppeln, dass in einen der Strahlengänge eine Zylinderlinse eingebaut wird. Dies ist in Fig. 1b zusätzlich angedeutet.

In Fig. 1c ist eine typische Auswerteeinheit angedeutet. Das Bild des Empfängers 7 wird in einem Preprozessor 11 digitalisiert und vorverarbeitet. Dabei werden die sichtbaren Bildpunkte des Beleuchtungsstreifens bestimmt. In einem weiteren Schritt 12 werden die Länge des hellen Balkens im Bild und der Abstand des hellen Balkens zu einem Bezugspunkt (z. B. Bildmitte) bestimmt. Im nächsten Schritt wird über den Abstand zum Bezugspunkt die Vergrößerung bestimmt und die gemessene Balkenlänge entsprechend normiert. Die so gewonnene Randhöhe wird über eine Schnittstelle 14 zur Verfügung gestellt.

Fig. 2a zeigt eine Variante der Beleuchtung ohne Zylinderlinse, bei der der Beleuchtungsstrahlengang über den Strahlteiler 15 in zwei Teilstrahlengänge aufgespalten wird. Die Teilstrahlengänge werden auf die Scanner 17 geführt. Über die Drehbewegung der Scanner werden zwei Lichtbänder erzeugt. Werden diese beiden Lichtbänder zur Deckung auf der Kante gebracht, so erfolgt die weitere Auswertung wie bereits beschrieben. Durch die Winkel 18 und 19 zum Rand der Linse ist der Rand der Linse besser detektierbar.

Bringt man diese Lichtbänder nicht zur Deckung Fig. 2b, so kann man aus dem Abstand 20 der Bilder der Leuchtbänder zusätzlich auf den Abstand zum Linsenrand schließen. Die Randhöhe könnte wie angedeutet 21 aus dem Bild ermittelt werden. Durch diese Anordnung erhält man einen Messfehler, da das Lichtband nicht senkrecht auf der Rotationsebene der Linse steht. Da sich die Randhöhe nur langsam ändert, ist der Messfehler tolerierbar. Für genauere Messungen könnte er auch numerisch kompensiert werden.

Fig. 3 zeigt eine Beleuchtungsanordnung, bei der über die Zylinderlinse 25 ein Lichtband erzeugt wird, dass durch die Spiegel 22 in zwei Teilstrahlengänge geteilt und über die Spiegel 23 auf den Linsenrand abgebildet wird. Die Abbildung des Lichtbandes auf dem Linsenrand auf den Empfänger erfolgt wieder wie bereits beschrieben. Wird während der Bildaufnahme die Linse weiterbewegt, so kann es zu einem Verschmieren des Lichtbalkens auf dem Empfänger kommen. Diesem Effekt kann man begegnen, indem eine Kamera mit einer einstellbaren Belichtungszeit und einer externen Triggerung verwendet.

Fig. 4 zeigt eine besonders vorteilhafte Variante. In dieser Variante wird der Abbildungsstrahlengang über den Strahlteiler 28 und die Spiegel 27 geteilt und unter den Winkeln 29 und 30 gegen den Rand ausgerichtet. Durch diese Anordnung erhält man auf dem Empfänger zwei Teilbilder. Ist die Linsenoberfläche nicht vollkommen glatt, so lässt sich der Verlauf des Lichtbandes auch in der Linsenfläche verfolgen. Hierüber kann dann zusätzlich die Form der Linse in der Umgebung des Randes vermessen. Die Kenntnis der Linsenform kann dazu verwendet werden, die Randhöhe genauer zu ermitteln.

Claims (13)

1. Optoelektronische Meßanordnung zur Vermessung der Geometrie von Linsenrändern, bestehend aus einer Beleuchtungseinheit (2, 3) und einer Beobachtungseinheit (30, 6, 7), die unter einem Triangulationswinkel (8) und unter Einhaltung der Scheimpflugbedingung zur Beleuchtungsanordnung angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung die Linse um eine Drehachse (31) relativ gegen die Meßanordnung gedreht wird, die Beleuchtungseinheit zu einem Lichtband aufgeweitet ist, das einen Lichtschnitt in etwa senkrecht zur Drehebene der Linse bildet.

2. Anspruch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtband durch eine Beugungsstruktur, eine Zylinderlinse (4) oder einen Scanner (17) erzeugt wird.

3. Anspruch nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Beobachtungs- und/oder Beleuchtungsstrahlengang dem Linsenrand (30) nachgeführt wird.

4. Anspruch nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Aufnahmen über eine Bildverarbeitung (11, 12, 13) erfolgt.

5. Anspruch nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einbau einer zusätzlichen Zylinderlinse in den Beobachtungsstrahlengang (26) die Abbildung zur Randvermessung und die Abbildung zur Abstandsmessung unterschiedliche Brennweiten besitzen.

6. Anspruch nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtband unter einem Winkel (18, 19) auf den Rand abgebildet wird.

7. Anspruch nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Teillichtbänder (20) erzeugt werden, die gegeneinander geneigt oder versetzt auf den Rand abgebildet werden und dass aus der Lage der Teillichtbänder im Bild zusätzlich auf den Abstand geschlossen wird.

8. Anspruch nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahme zur Linsenposition synchronisiert wird.

9. Anspruch nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahme in einem kurzen zeitlichen Fenster erfolgt.

10. Anspruch nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Beobachtungseinheit gegen die Drehebene geneigt ist (29, 30).

11. Anspruch nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Beobachtungseinheiten verwendet werden.

12. Anspruch nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Bildteiler (28) mehrere Teilbilder auf dem Empfänger (7) überlagert werden.

13. Anspruch nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Verlauf des Lichtbandes in der Linsenfläche auf die Linsenform geschlossen wird.