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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Vermessung wenigstens
einer gekrümmten
Fläche
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur berührungslosen Vermessung
wenigstens einer gekrümmten
Fläche nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Bekannte
Vorrichtungen dieser Art werden insbesondere eingesetzt, um Schichtdicken,
insbesondere Mittendicken von Linsen, zu bestimmen. Sie werden aber
auch als scannende 3D-Messysteme aufgebaut zur berührungslosen
Messung von Topografien und Profilen eingesetzt. Typische Anwendungen
sind die Qualitätssicherung
und Fertigungskontrolle in der Glas-, Kunststoff-, Halbleiter- und
Automobilindustrie, sowohl im Labor als auch in der industriellen
Fertigung.
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Eine
Vorrichtung dieser Art ist in einem Aufsatz von Matthias Kunkel
und Jochen Schulze mit dem Titel „Mittendicke von Linsen berührungslos messen”, Photonik
6/2004, beschrieben. Um die Mittendicke von Linsen zu messen, wird
dort vorgeschlagen, die Distanzen zwischen einem festen Bezugspunkt
und den Scheitelpunkten der Linsenober- und unterseite zu messen.
Zur Distanzmessung wird spektral breitbandiges Licht in einen Lichtwellen leiter eingekoppelt
und über
einen Faserkoppler zu einem Objektiv mit ausgeprägter chromatischer Längsaberration
geführt.
Dieses fokussiert das aus der Faserendfläche austretende Licht wellenlängenabhängig auf
die zu messende Oberfläche
und erzeugt dort einen Messfleck von wenigen Mikrometern Durchmesser.
Eine scharfe Abbildung des leuchtenden Faserkerns ergibt sich dort
aber nur für
eine Wellenlänge λ1.
Umgekehrt wird auch das reflektierte Licht der selben Wellenlänge λ1 scharf
auf das Faserende abgebildet und wieder in den Lichtwellenleiter
eingekoppelt. Andere Wellenlängen
werden wegen der unscharfen Abbildung stark unterdrückt. Das
reflektierte Licht gelangt über
den Faserkoppler in ein Spektrometer. Das dort gemessen Spektrum
zeigt bei der betreffenden Wellenlänge λ1 einen
scharfen Peak. Durch Kalibrierung kann aus der gefundenen Wellenlänge die
gesuchte Distanz zur Oberfläche
bestimmt werden. Befinden sich zwei Grenzflächen eines transparenten Materials,
insbesondere einer Linse, im Messbereich des Objektivs, so existieren
zwei Wellenlängen λ1 und λ2,
für die
sich auf je einer der Grenzflächen
eine scharfe Abbildung ergibt. Entsprechend sind auch zwei Peaks
zu beobachten, aus denen sich die Distanzen s1 und
s2 zu den beiden Grenzflächen bestimmen lassen.
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Objektive
von hierzu verwendeten bekannten Messköpfen haben, um optimale Messeigenschaften,
insbesondere eine große
Lichtempfindlichkeit und ein großes Auflösungsvermögen, zu erzielen, bei einer
entsprechend großen
Apertur abhängig vom
erforderlichen Messabstand einen entsprechend großen Durchmesser.
Häufig
ist jedoch der Einbauraum für
den Messkopf in einer Raumrichtung begrenzt, insbesondere dann,
wenn eine Vielzahl von Messköpfen
in kleinem Abstand aneinandergereiht werden sollen. Hier wären entsprechend schmale
Messköpfe
wünschenswert.
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Eine
Vorrichtung, die ebenfalls dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht,
ist aus der
DE
10 2004 011 189 A1 bekannt. Bei dieser ist die Abmessung
des Messkopf-Querschnittes
in einer Raumrichtung kleiner als in anderen Raumrichtungen. Der
aus dem Messkopf austretende Lichtstrahl ist jedoch ein rotationssymmetrischer
Kegel, dessen Öffnungswinkel
in allen die optische Achse enthaltenden Ebenen derselbe ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren
der eingangs genannten Art zu gestalten, bei der beziehungsweise bei
dem ein Messkopf einsetzbar ist, dessen Querschnitt wenigstens in
einer Raumrichtung möglichst kleine
Außenabmessungen
hat und der über
optimale Messeigenschaften, insbesondere eine große Lichtempfindlichkeit
und ein großes
Auflösungsvermögen, verfügt.
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Diese
Aufgabe wird, was die Vorrichtung angeht, durch die in Anspruch
1 angegebene Erfindung gelöst.
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Erfindungsgemäß ist also
das optische System infolge des in einer Richtung kleineren Öffnungswinkels
schmal gebaut, so dass auch der gesamte Meßkopf schmaler ist als bekannte
Messköpfe.
Hierdurch ist zwar in der Raumrichtung, in der das optische System
schmaler ist, die Apertur des optischen Systems gegenüber der
Apertur in den anderen Raumrichtungen senkrecht zur optischen Achse
des Systems reduziert. Die reduzierte Apertur ist jedoch ausreichend,
um optimale Messeigenschaften zu erzielen, sofern in der Ebene,
die durch die optische Achse des optischen Systems und die Raumrichtung der
reduzierten Apertur aufgespannt wird, die optische Achse des optischen
Systems im Wesentlichen senkrecht zu der Fläche verläuft. Insgesamt wird zugunsten
der kleineren Außenabmessung
des Messkopfes in der Ebene, in der die optische Achse senkrecht
zu der zu vermessenden Fläche
verläuft,
auf eine große
Apertur verzichtet, ohne dass dabei die Messeigenschaften verschlechtert
werden. In der Ebene, in der die Fläche gekrümmt ist, hat das optische System
hingegen eine Apertur, die groß genug ist,
um optimale Messergebnisse zu erzielen, und auch entsprechend große Außenabmessungen.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann das optische
System ein zu seiner optischen Achse radialsymmetrisches optisches
System sein, bei dem wenigs tens an einer Seite im wesentlichen parallel
zu seiner optischen Achse ein Teil entfernt ist. Der entfernte Teil
kann insbesondere abgesägt
oder abgeschliffen sein. Das optische System behält auf diese Weise in den anderen
lateralen Raumrichtungen seine Apertur und damit seine optimalen
Messeigenschaften bei.
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Zweckmäßigerweise
kann an zwei gegenüberliegenden
Seiten des optischen Systems jeweils ein Teil entfernt sein. Auf
diese Weise ist der Messkopf symmetrisch aufgebaut.
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Um
die Fläche
scannerartig vermessen zu können,
kann der Messkopf relativ zu der zu vermessenden Fläche insbesondere
im Wesentlichen senkrecht zu der Raumrichtung mit dem kleineren Öffnungswinkel
des Strahlenbündels
bewegbar sein.
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Das
optische System kann vorzugsweise ein insbesondere passives Objektiv
sein. Mit einem Objektiv sind optimale Abbildungseigenschaften realisierbar.
Ein passives optisches System, das keine elektronischen oder bewegten
Teile aufweist, ist außerdem
sehr robust und nahezu unempfindlich gegenüber äußeren insbesondere mechanischen und/oder
elektrischen Einflüssen.
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Um
das Licht möglichst
verlustfrei zum Messkopf und von diesem weg leiten zu können, kann
der Messkopf über
we nigstens einen Lichtwellenleiter, insbesondere einen multi-mode
Lichtwellenleiter, mit der Lichtquelle und der optischen Spektraleinrichtung
verbunden sein.
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Bei
einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform kann eine Vielzahl
von Messköpfen in
der Raumrichtung mit dem kleineren Öffnungswinkel des Strahlenbündels nebeneinander
angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Fläche an mehreren Messpunkten,
die entsprechend der Messköpfe
entlang einer Geraden angeordnet sind, gleichzeitig und somit schnell
vermessen werden. Dadurch, dass die Messköpfe an ihren schmalen Seiten
eng nebeneinander angeordnet sind, ist ein entsprechend kleiner Messpunktabstand
und so in dieser Raumrichtung eine große räumliche Auflösung erzielbar.
Um die gesamte Fläche
scannerartig zu vermessen, können alle
Messköpfe
gleichzeitig relativ zu der Fläche
bewegt werden. Die Bewegung kann senkrecht zu der Raumrichtung,
in der die Messköpfe
schmal sind, oder schräg
zu dieser erfolgen.
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Zweckmäßigerweise
kann mit der Vorrichtung eine Dicke wenigstens einer durch zwei
Flächen begrenzten
Schicht, insbesondere eine Wanddicke, bestimmbar sein. Mit der Vorrichtung
können
so Schichtdicken transparenter insbesondere wenigstens zu einem
Teil zylindrischer Körper,
insbesondere Glas- oder Kunststoffflaschen, einfach und genau bestimmt
werden.
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Die
oben genannte Aufgabe wird, was das Verfahren angeht, durch die
im Anspruch 9 angegebene Erfindung gelöst.
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Dadurch,
dass das optische System so bezüglich
der Fläche
ausgerichtet wird, wobei seine optische Achse senkrecht zu dieser
verläuft,
ist in dieser Raumrichtung eine verhältnismäßig kleine Apertur ausreichend,
um mit den gleichen optimalen Messeigenschaften des optischen Systems
zu messen. Auf diese Weise können
die verwendeten Messköpfe schmal
gebaut sein. Insgesamt wird zugunsten der kleineren Außenabmessung
des Messkopfes in der Ebene, in der die optische Achse senkrecht
zu der zu vermessenden Fläche
steht, auf eine große
Apertur verzichtet.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es
zeigen
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1 schematisch
einen seitlichen Längsschnitt
eines abgeflachten Messkopfes;
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2 schematisch
den Messkopf aus 1 in der Draufsicht auf eine
seiner schmalen Seiten;
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3 schematisch
den Messkopf aus den 1 und 2 in der
Rückansicht;
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4 schematisch
eine Messkopfanordnung mit drei Messköpfen aus den 1 bis 3 von
der Seite betrachtet;
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5 schematisch
die Messkopfanordnung aus 4 in der
Draufsicht beim Vermessen der Wanddicke eines Glaszylinders.
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In
den 1 bis 3 ist ein insgesamt mit dem
Bezugszeichen 10 versehener länglicher Messkopf einer in
den 4 und 5 gezeigten Messkopfanordnung
einer ansonsten nicht dargestellten Vorrichtung zur berührungslosen
Bestimmung der Wanddicke eines in 5 dargestellten
Glaszylinders 12 gezeigt.
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Der
Messkopf 10 ist über
einen nicht gezeigten multi-mode Lichtwellenleiter mit einer bekannten Lichtquelle
zur Erzeugung von Licht mit einem kontinuierlichen Spektrum verbunden.
Der Lichtwellenleiter führt
zu einem kreiszylinderförmigen
Lichtleiteranschlusskörper 14 an
der rückseitigen
Stirnseite eines Gehäuses 16 des
Messkopfes 10, im Längsschnitt
in 1 links. Dort mündet er in einen Faserkoppler 18, der
mittig in der Stirnfläche
des Lichtleiteranschlusskörpers 14 befestigt
ist. Die Länge
des Messkopfes 10 beträgt
bei dem in den 1 bis 5 gezeigten praktischen
Ausführungsbeispiel
beispielhaft etwa 9 cm bis 10 cm, mit dem Lichtleiteranschlusskörper 14 etwa
14 cm bis 15 cm.
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Das
Gehäuse 16 des
Messkopfes 10 hat im Wesentlichen die Form eines Kreiszylinders,
dessen Mantel an zwei gegenüberliegenden
Seiten 20, in 1 parallel zur Zeichenebene
und in der Draufsicht in 2 horizontal senkrecht zur Zeichenebene,
abgeflacht ist; dies ist auch in der Rückansicht in 3 sichtbar.
Der Abstand zwischen den abgeflachten Seiten 20 ist etwas
größer als
der Durchmesser des Lichtleiteranschlusskörpers 14, was aus den 2 und 3 hervorgeht.
Bei dem praktischen Ausführungsbeispiel
beträgt
der Außendurchmesser
des Gehäuses 16 des
Messkopfes 10 etwa 5 cm bis 7 cm. Der Abstand der beiden
abgeflachten Seiten 20 beträgt etwa 3 cm bis 4 cm.
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Im
Messkopf 10 wirkt das Ende des Lichtwellenleiters als eine
der Lichtquelle zugeordnete, in den Figuren nicht sichtbare Lichtaustrittsfläche, welche parallel
zu den Stirnseite des Gehäuses 16 des Messkopfes 10 verläuft.
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Der
Messkopf 10 umfasst ein Objektiv 22 mit chromatischer
Aberration, das die Lichtaustrittsfläche verkleinert in wellenlängenabhängigen Brennebenen,
in 1 rechts von dem Messkopf 10, abbildet. Die
optische Achse 24 des Objektivs 22 verläuft koaxial
zum Gehäuse 16 des
Messkopfes 10, in 1, 2, 4 und 5 horizontal,
durch die Lichtaustrittsfläche.
Ein Lichtkegel 25 für
eine beispielhaft gewählte
Wellenlänge
ist in 1, 2, 4 und 5 rechts
gezeigt. Die Höhe
des Lichtkegels 25 entspricht einem Messabstand des Objektivs 22 zu
einem der Kegelspitze zugeordneten Brennpunkt auf der zu vermessenden
Fläche 26 des Glaszylinders 12.
Der Messabstand beträgt
bei dem praktischen Ausführungsbeispiel
zwischen 6,5 cm und 7,5 cm. Die Länge des Objektivs 22 beträgt beispielhaft
etwa 5,5 cm bis 6,5 cm.
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Das
Objektiv 22 umfasst von dem Lichtleiteranschlusskörper 14 aus
betrachtet ein erstes Linsenpaar 28, bestehend aus einer
plankonvexen Linse 30 und einer plankonvexen Linse 32,
und in einem Abstand zu diesem ein zweites Linsenpaar 34 bestehend
aus einer bikonvexen Linse 36 und einer konkavkonvexen
Linse 38. Das zweite Linsenpaar 34 befindet im
Bereich der der zu vermessenden Fläche 26 zugewandten
Stirnseite des Messkopfes 10, in 1 rechts.
Das Objektiv 22 ist passiv, das heißt, es enthält keine elektronischen oder
bewegten Teile.
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Der
Durchmesser des Objektivs 22 ist in einer Raumrichtung
X senkrecht zu seiner optischen Achse 24 entsprechend der
abgeflachten Seiten 20 des Gehäuses 16 des Messkopfes 10 reduziert.
Hierzu ist an zwei gegenüberliegenden
Seiten der Linsen 32, 36 und 38, welche
ursprünglich
zu der optischen Achse 24 radialsymmetrisch sind, im wesentlichen parallel
zur optischen Achse 24 des Objektivs 22 jeweils
ein Teil entfernt, beispielsweise abgesägt oder abgeschliffen, so dass
die Linsen 30, 32, 36 und 38 dort
abgeflachte Seitenflächen 32a, 36a beziehungsweise 38a haben.
Die Linse 30 hat einen deutlich kleineren Durchmesser als
die anderen Linsen 32, 36 und 38 und
bedarf daher keiner Reduzierung. Durch das Entfernen der seitlichen
Linsenteile wird in der entsprechenden lateralen, also senkrecht
zur optischen Achse 24 verlaufenden, Raumrichtung X die Apertur
des Objektivs 22 gegenüber
der ursprünglichen
Apertur, die in einer dazu senkrechten lateralen Raumrichtung Y
noch vorhanden ist, verringert. In den 1, 2, 4 und 5 ist
die in den zueinander senkrechten lateralen Raumrichtungen Y beziehungsweise
X unterschiedliche Apertur anhand des entsprechenden Profils des
Lichtkegels 25 veranschaulicht. In der Ebene der breiten
Seite des Objektivs 22 und des Messkopfes 10,
in 1, ist ein Winkel α zwischen der optischen Achse 24 und
der Kegelmantelfläche
des Lichtkegels 25 beispielhaft mit etwa 17° deutlich
größer als
ein entsprechender Winkel β in
der Ebene der schmalen Seite des Objektivs 22 und des Messkopfes 10,
in 2, wo er etwa 15° beträgt.
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Der
Messkopf 10 ist ferner über
einen nicht gezeigten, aus dem Stand der Technik bekannten Verzweiger
in dem Lichtwellenleiter in bekannter Weise mit einem ebenfalls
nicht dargestellten Spektrographen verbunden. Mit dem Spektrographen
ist die spektrale Intensitätsverteilung
von Licht erfassbar, das durch das Objektiv 22 hindurch
auf die zu vermessende Fläche 26 gerichtet
und von dort reflektiert wird.
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Darüber hinaus
verfügt
die Vorrichtung über eine
nicht gezeigte Auswerteeinheit, die mit dem Spektrographen funktionell
verbunden ist. Mit der Auswerteeinheit läßt sich jeder Wellenlänge, bei
der die von dem Spektrographen erfaßte Intensitätsverteilung
ein lokales Maximum hat, ein Abstand zwischen dem Objektiv 22 und
der zu vermessenden Fläche 26 zuordnen.
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In 4 ist
die Messkopfanordnung bestehend aus drei identischen Messköpfen 10 gezeigt. Die
Messköpfe 10 sind
in der Raumrichtung X, in der die Breiten ihrer Objektive 22 reduziert
sind, in 4 übereinander, angeordnet. Dadurch,
dass die Messköpfe 10 schmal
sind, liegen ihre optischen Achsen 24 und daher die Brennpunkte,
welche die Messpunkte vorgeben, sehr nahe beieinander, so dass eine
entsprechend große
Auflösung
in der Raumrichtung X realisiert ist.
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In 5 sind
die Messköpfe 10 aus 4 in Draufsicht
mit Blick auf ihre breiten Seiten gezeigt. Es ist hier nur der obere
Messkopf 10 sichtbar, die anderen sind durch diesen verdeckt.
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Die
Messköpfe 10 sind
zum Vermessen der Wand des Glaszylinders 12 so ausgerichtet,
dass die Breite ihrer Objektive 22 in der Raumrichtung
X reduziert ist, in der die zu vermessende Fläche 26 der Wand gerade
ist, also parallel zur Achse des Glaszylinders 12. Die
Achse des Glaszylinders 12 verläuft in 5 senkrecht
zur Zeichenebe ne. Die optische Achse 24 steht dann in der
Ebene, in der die Messköpfe 10 schmal
sind, senkrecht auf der Fläche 26.
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Zur
Bestimmung der Wanddicken des Glaszylinders 12 wird dieser
senkrecht zu den optischen Achsen 24 der Objektive 22 in
Raumrichtung Y, in 5 von unten nach oben, auf der
Lichtaustrittsseite an den Messköpfen 10 entlang
geführt.
Die Messköpfe 10 werden
also relativ zu der zu vermessenden Fläche 26 im Wesentlichen
senkrecht zu der Raumrichtung X, in der die Breite des Objektivs 22 reduziert
ist, bewegt. Die Zylinderwand ist in Raumrichtung X, hier parallel
zur Achse des Glaszylinders 12, in der die Objektive 22 eine
kleine Apertur aufweisen, gerade. Der kürzeste Abstand zwischen der
Wand des Glaszylinders 12 und den Messköpfen 10 beim Vorbeiführen des
Glaszylinders 12 entspricht etwa dem mittleren Messabstand
des Objektivs 22, so dass beim Passieren der den Messköpfen 10 zugewandten
Seite der Wand die Wandinnenfläche
(Fläche 26)
und die Wandaußenfläche jeweils
einer der mit den Messköpfen 10 realisierbaren
Brennebenen zuordenbar sind. Beim Passieren des Glaszylinders 12 werden
dann simultan über
jeden der Messköpfe 10 mit
dem jeweiligen Spektrographen zwei Peaks erfasst und mit der Auswerteeinrichtung
die entsprechenden Abstände
zu der Wandinnen und -außenflächen und
daraus die Wanddicke des Glaszylinders 12 bestimmt.
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Anstelle
des Objektivs 22 kann auch ein andersartiges abbildendes
optisches System mit chromatischer Aberration vorgesehen sein.
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Statt
des Spektrographen kann auch eine andere optische Spektraleinrichtung,
beispielsweise ein Spektrometer, eingesetzt werden.
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Statt
auf beiden Seiten 20 kann auch nur auf einer Seite 20 ein
Teil der Linsen 32, 36 und 38 entfernt
sein.
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Die
Messköpfe 10 können statt
senkrecht zu der Raumrichtung, in der die Breite des Objektivs 22 reduziert
ist, auch schräg
zu dieser bewegt werden.
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Anstelle
eines passiven Objektivs 22 kann beispielsweise auch ein
manuell oder automatisch einstellbares Objektiv verwendet werden.
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Die
Vorrichtung ist nicht beschränkt
auf die Bestimmung einer Dicke einer Wand. Vielmehr kann sie zur
Bestimmung einer Dicke einer beliebigen durch zwei Flächen 26 begrenzten
Schicht eines transparenten Körpers
verwendet werden. Es kann sich hierbei auch um innenliegende Schichten
handeln.
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Statt
der Fläche 26 eines
Glaszylinders 12 können
auch andere gekrümmte
Flächen,
die in wenigsten einer Raum richtung eben sind, beispielsweise auch
Flaschen, Kegel oder Pyramiden, vermessen werden.
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Die
Vorrichtung, insbesondere der Messkopf 10, kann auch als
hochauflösender
Abstandssensor eingesetzt werden. Sie kann auch als scannendes 3D-Messystem
zur berührungslosen
Messung von Topografien und Profilen, auch von nicht transparenten
Oberflächen
ausgestaltet sein.
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Die
Abmessungen der Messköpfe 10,
die Messabstände
und die angegeben Winkel α und β für die Lichtkegel 25 können deutlich
größer oder
kleiner als die beispielhaft angegebenen sein.