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Die
Erfindung betrifft eine koaxiale Beleuchtung für ein telezentrisches Meßsystem,
bestehend aus einer Feldlinse, einem weiteren Objektiv und einem
Strahlteiler.
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Telezentrische
Meßsysteme
mit koaxialen Beleuchtungsquellen werden in einer Vielzahl technischer
Applikationen eingesetzt und sind in ihrer grundsätzlichen
Anordnung allgemein bekannt. In den Strahlengang eines im allgemeinen
beidseitig telezentrischen Objektvs wird für die Auflichtbeleuchtung ein
Strahlteiler eingefügt,
die Beobachtung erfolgt entweder im reflektierten oder transmittierten Strahl.
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Telezentrische
Messanordnungen werden zunehmend im Zusammenhang mit Geräten zur
automatischen Bildverarbeitung eingesetzt. Durch Anwendung geeigneter
Bildverarbeitungsalgorithmen besteht die Möglichkeit, die Lage von Kanten
mit einer höheren
Messauflösung
als der Bildpunktabstand – man
spricht von Subpixelinterpolation – zu erfassen. Bedingung für die erfolgreiche
Anwendung der Subpixelinterpolation ist jedoch eine gute Übereinstimmung
zwischen den gemessenen Grauwertprofilen an Kanten und den für die Berechnung
verwendeten Modellen. Jegliche Abweichung vom Modell führt zu Messfehlern.
Dies führt
nicht nur zur Forderung nach einer sehr guten Shadingkorrektur,
des weiteren dürfen
in dem für
die Subpixelinterpolation relevanten Ortsfrequenzbereich keine Störungen durch
die Abbildung von diskreten Strahlern (z.B. Leuchtdioden, LED) vorhanden
sein. Eine weitere Forderung nach immer kürzeren Belichtungszeiten bei
gutem Signal/Rauschabstand erfordert eine höhere Leuchtdichte, die durch
den Einsatz von mehreren diskreten Strahlern, z.B. Fasern oder LED,
erreicht werden kann. Die qualitativen Anforderungen an das optische
System steigen weiter durch die Notwendigkeit, auch feinstrukturierte
Objekte, z.B. Silizium Chips, lage- und rotationsinvariant zu vermessen. Optische
Schichten und Gitterstrukturen bewirken in diesem Fall eine sehr
starke Abhängigkeit
der Intensität
des von der Oberfläche
reflektierten Lichts vom Reflexionswinkel, so dass bereits eine
geringfügige Inhomogenität der Winkelverteilung
des auf das Objekt einfallenden Lichts Kontrastveränderungen
und damit Messfehler erzeugt.
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Die
exakte o-line Vermessung von Strukturen ist eine wesentliche Voraussetzung
für den
effizienten Betrieb von Robotern und Handlingsautomaten. Aus dem
mit einer oder mehreren Kameras aufgenommenen Bild werden ausgewählte Grauwertverteilungen
segmentiert, und deren exakte Lage zur optischen Achse des Bildaufnahmesystems
bestimmt. Hierbei wird eine sehr hohe Messgenauigkeit angestrebt,
die in fast allen Fällen
die Pixelauflösung des
Sensors überschreitet.
Anschließend
wird aus der Lage der Grauwertverteilung auf die geometrische Lage
von physikalischen Strukturen z.B. Objektkanten, geschlossen.
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Die
erreichbare Messgenauigkeit wird durch den Kontrast des zu vermessenden
Objekts gegenüber
dem Hintergrund und dessen Reproduzierbarkeit bestimmt. Der erzielbare
Kontrast hängt
von den optischen Oberflächeneigenschaften
des zu analysierenden Objekts ab. Dieser ist meist in einem bestimmten
Winkelbereich zur Flächennormalen
des Objekts optimal. Bei der praktischen Ausführung entstehen in der Regel
durch Handlingstoleranzen Veränderungen
des Aufnahmewinekls, so dass die Forderung entsteht, in einem exakt
tolerierten Winkel- und Abstandbereich mit hoher Genauigkeit konstante Bildsignale
zu erzeugen. Diese Forderung ist insbesondere für technische Oberflächen mit
hoher Oberflächengüte kritisch.
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Der
Stand der Technik wird in der Patentschrift
US 6359694B1 dargestellt. Eine Kamera
(
11) mit Objektiv (
10) beobachtet über einen
Strahlteiler (
7) und Spiegel (
8) das Objekt. Ferner
wird über
den Strahlteiler (
7) eine Beleuchtungsanordnung (
1),
bestehend aus einer Anzahl diskreter Leuchtdioden, in den Strahlengang
eingekoppelt. Der so beschriebene Strahlengang der Beleuchtung führt zu einer
inhomogenen, mit Shading behafteten Lichtverteilung auf dem Objekt
(component, 2). Für
die Kantendetektion von fein strukturierten Objekten ist ferner
störend, dass
die diskrete Struktur der Leuchtdioden zu einer praktisch nicht
korrigierbaren Winkelverteilung der Beleuchtung führt, die
die Messgenauigkeit herabsetzt.
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Nachteilig
ist neben dem benötigten
Bauvolumen auch der Wärmeeintrag
in die Optik, der Driftprozesse verursacht.
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Deshalb
besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen miniaturisierten
Beleuchtungsmodul mit verbesserter Winkelhomogenität zu schaffen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht auch darin, die Winkelverteilung
eines koaxialen Strahlers in einem telezentrischen Meßsystem
soweit zu verbessern, dass feinstrukturierte Objekte mit hoher Messgenauigkeit lage-
und rotationsinvariant vermessen werden können.
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Die
Aufgabe wird durch eine koaxiale Beleuchtung für ein telezentrisches Meßsystem,
bestehend aus einer Feldlinse und einem Objektiv sowie einem Strahlteiler,
der den Strahlengang in einen ersten Strahlengang für einen
Bildsensor und einen zweiten Strahlengang für eine koaxiale Strahlungsquelle
teilt, erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass in der Nähe
des bildseitigen Brennpunktes f der Feldlinse im Strahlengang der
koaxialen Strahlungsquelle eine mit einer fluoreszierenden und einer
semitransparenten Schicht beschichtete Planfläche angeordnet ist. Die fluoreszierende
Schicht absorbiert mehrfach in einem Substrat reflektierte Strahlen
von einer oder mehreren punktförmigen
Lichtquellen.
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Die
semitransparente Schicht ist als dielektrische Schicht mit einem
Reflexionsgrad zwischen 65 und 95 % für den Hauptwellenlängenbereich
der Beleuchtungsquelle oder als reflektierende metallische Schicht
ebenfalls mit einem Reflexionsgrad zwischen 65 und 95 % ausgeprägt. Dabei
ist der Reflexionsgrad der semitransparenten Schicht ortsabhängig.
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Das
unterhalb der semitransparenten Schicht befindliche Subsotrat ist
auf der Rückseite mit
einer Spiegelschicht versehen.
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Das
Licht einer Beleuchtungsquelle wird über einen oder mehrere Lichtwellenleiter
auf das Substrat eingekoppelt.
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Ferner
kann das Substrat als flacher Zylinder ausgeführt sein, wobei die Lichtwellenleiter
konzentrisch auf die Mantelfläche
des Substrats, oder unter einem Winkel von 10 – 30 Grad auf den maskierten Rand
des Substrats strahlen.
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Weiterhin
können
hinter dem Substrat angeordnete diskrete Leuchtdioden auf den maskierten Rand
und/oder maskierte Teilbereiche des Substrats strahlen. Die fluoreszierende
Schicht dotiert mit Yttrium-Aluminium-Granat (YAG, Y3 Al5 O12).
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Die
Beleuchtungsquelle für
die punktförmige Beleuchtung
besteht aus einer getakteten LED Matrix, die auf einen Kühlkörper gebondet
ist und den Lichtquellenleitern so gegenübersteht, dass sie näherungsweise
im Fokus der Mikrolinsen der LED-Chips der Matrix stehen.
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Die
Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden.
In den zugehörigen Zeichnungen
zeigen
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1 den
grundsätzlichen
Aufbau eines teiezentrischen Meßsystems
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2 Einzelheiten
einer möglichen
Ausführung
der koaxialen Lichtquelle
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3 eine
Anordnung für
den Einsatz von Leuchtdioden
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4 eine
Anordnung mit Beleuchtung durch Lichtwellenleiter
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5 eine
Anordnung für
ein Beispiel einer Lichtquelle mit LWL-Kopplung
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Wie
in 1 dargestellt, wird für die Beobachtung über zwei
grundsätzliche
optische Elemente, einer Feldlinse 1 und einem Objektiv 2,
ein Bild auf dem Bildsensor 4 erzeugt. Die konkrete Ausprägung der
optischen Elemente kann sowohl mit Einzelelementen als auch mit
Linsengruppen erfolgen und hängt
von der gewählten
optischen Konstruktion ab. Der Strahlteiler 3, in typischer
Weise dichroitischer Ausführung,
ermöglicht
die Einkopplung der Strahlungsquelle 5.
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Die
Lage der Strahlungsquelle 5 und des Bildsensors 4 inclusive
des Objektivs 2 ist nicht prinzipiell und kann vertauscht
werden.
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Wie
in 2 dargestellt besteht die koaxiale Lichtquelle
aus zwei Teilen.
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Im
Innern befindet sich ein Substrat 10, dass aus einem transparenten
flachen Zylinder aus z.B. PMMA, Glas oder einem Karbonatwerkstoff
besteht. Die Rückseite
ist mit einer Spiegelschicht 9, z.B. aus Aluminium, versehen.
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Die
Vorderseite wird mit einer semitransparenten Schicht 6 bedampft.
Diese Schicht 6 reflektiert das Licht der Beleuchtungsquelle
mit einem Reflexionsgrad zwischen 65 und 95 %. Das von der fluoreszierenden
Schicht 7 (Siliconlösung
mit YAG-Kristallen), die auf die semitransparente Schicht 6 aufgebracht
ist, emittierte Licht wird mit einem Reflexionsgrad von typischerweise
größer 90 %
reflektiert. Außen
befindet sich eine Anordnung von n Lichtleitfasern, deren Austrittsflächen optisch
bearbeitet sind. Zur Reduzierung von Koppelverlusten wird die Verbindung
zum Substrat 10 mit index matching glue realisiert. Diese
Anordnung wird dann vorteilhaft eingesetzt, wenn in das telezentrische
System kein Wärmeeintrag
erfolgen darf
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Gemäß 3 strahlen
Leuchtdioden 8.2 durch Öffnungen
in der verspiegelten Unterseite 9 des kegelstumpfförmigen Substrates 10,
dessen Mantelfläche
Fokussierelemente aufweist.
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Die
exakte Form für
eine optimale Funktion hängt
von der Strahlungscharakteristik der verwendeten Leuchtdioden 8.2 ab.
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4 zeigt
den Einsatz von Lichtwellenleitern 8.1 anstatt der oben
genannten Leuchtdioden 8.2, die ebenfalls durch Öffnungen
der verspiegelten Unterseite 9 des Substrates 10 strahlen.
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In 5 ist
eine Beleuchtungsquelle dargestellt, die aus einer getakteten LED
Matrix 11 besteht, die sich auf einem Kühlkörper 12 befindet und
Lichtwellenleitern 8.1 so gegenübersteht, dass diese näherungsweise
im Fokus der jeweiligen Mikrolinsen der LED-Chips der Matrix 11 stehen.
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Die
Funktion des Telezentrischen Meßsystems
soll hier zusammenfassend dargestellt werden. Der nicht dargestellte
Strahlengang für
die Beobachtung ist telezentrisch und erzeugt auf dem Sensor im Tiefenschärfebereich
der Messanordnung ein stabiles Bild mit in guter Näherung konstantem
Abbildungsmaßstab.
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Die
koaxiale Strahlungsquelle 5 steht im Brennpunkt der Feldlinse 1 und
erzeugt einen Parallelstrahl hinter der Feldlinse 1. Durch
die Wahl des Durchmessers der Strahlungsquelle und der Brennweite
der Feldlinse 1 wird die Apertur der Beleuchtung eingestellt,
das Gesichtsfeld wird durch die Feldblende der Feldlinse 1 begrenzt.
Im Innern dieses Gesichtsfelds befindet sich ein nicht vignettierter
Arbeitsbereich mit konstanter Beleuchtungsstärke auf dem Objekt.
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Die
Strahlung der koaxialen Lichtquelle besteht aus einem meist spektral
schmalen Anteil der Quelle (z.B. auf der Wellenlänge 445 nm, blau) sowie einem
breiten fluoreszierenden Anteil (z.B. 530..650nm, rot/grün). Der
fluoreszierende Teil hat eine Lambertcharakteristik, die durch stochastisch verteilte
kleine YAG-Kristalle in der fluoreszierenden Schicht 7 entsteht.
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Bedingt
durch die Abbildung mit der Feldlinse 1 ergibt sich die
Energieverteilung eines einzelnen Punkts auf dem Objekt aus der
Leuchtdichteverteilung der fluoreszierenden Schicht 7.
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Deshalb
ist es für
Präzisionsmessungen
notwendig, eine gute Homogenität
der Leuchtdichteverteilung zu erreichen.
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Die
Homogenität
in der fluoreszierenden Schicht 7 hängt von der Strahlungscharakteristik
der LED 8.2 bzw. LWL 8.1 Strahler ab. Diese werden
als Punktstrahler betrachtet. Durch die Verspiegelung 9 des
Substrats 10 und durch den Einsatz der semitransparenten
Schicht 6 werden die von jedem Punktstrahler austretenden
Strahlen mehrfach reflektiert. Die Superposition der mehrfach reflektierten
Strahlen ergibt bei korrekter Wahl der Parameter eine gute Homogenität.
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Die
Energieverteilung auf der Wellenlänge der Punktstrahler ist im
Vergleich zur fluoreszierenden Strahlung inhomogener, deshalb kann
bei hohen Präzisionsforderungen
dieser Wellenlängenbereich unterdrückt werden.
Dennoch wird eine in guter Näherung
innerhalb der Apertur homogene Verteilung erreicht.
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- 1
- Feldlinse
- 2
- Objektiv
- 3
- Strahlteiler
- 4
- Bildsensor
- 5
- Strahlungsquelle
- 6
- semitransparente
Schicht
- 7
- fluoreszierende
Schicht
- 8
- punktförmige Beleuchtung
- 8.1
- Lichtwellenleiter
- 8.2
- Leuchtdioden
- 9
- Spiegelschicht
- 10
- Substrat
- 11
- LED
Matrix
- 12
- Kühlkörper