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Die
Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung mit einer Beleuchtungseinrichtung
zum Beleuchten eines Objektes. Die Erfindung betrifft außerdem eine
entsprechende Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten eines Objektes.
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Derartige
Vorrichtungen sind bereits seit langem bekannt. Beispielsweise gibt
es als optische Vorrichtung mit einer Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten
eines Objektes optische Koordinatenmessgeräte, bei denen die Kontur von
Werkstücken in
wenigstens zwei Dimensionen vermessen werden kann. Dazu ist in der
Regel eine Sensorik in Form einer Digitalkamera vorgesehen, die
wenigstens ein Digitalbild eines zu vermessenden Werkstückes erzeugt,
das die Kante des Werkstückes
darstellt, wobei aus dem Digitalbild die Kante des Werkstückes bestimmt
wird und hieraus die Abmessungen des Werkstückes bestimmt werden. Um größere Werkstücke vermessen
zu können
ist die Digitalkamera in der Regel über eine Mechanik in allen
drei Koordinatenrichtungen relativ zum Werkstück beweglich, wobei über entsprechende
Maßstäbe die jeweilige
Position der Digitalkamera in der betreffenden Verfahrrichtung bestimmt
werden kann. Hierüber
kann die Digitalkamera gezielt entlang der Kontur des Werkstückes verfahren
werden und hierbei stark vergrößerte Digitalbilder
der Kante des Werkstückes
aufnehmen. Aus den Bildern der Kante und den Maßstabspositionen lassen sich
dann genau die Abmessungen der Kontur des Werkstückes bestimmen.
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Damit
die Kante des Werkstückes
auf den Digitalbildern genau sichtbar wird, muss das Objekt, hier
das zu vermessende Werkstück,
durch eine Beleuchtungseinrichtung beleuchtet werden. Hierbei werden
unterschiedliche Verfahren verwendet.
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Zum
einen gibt es die Durchlichtbeleuchtung. Hierbei befinden sich in
der Messauflage für das
zu vermessende Werkstück
Leuchtmittel, so dass also der Untergrund, auf dem das Werkstück aufliegt,
beleuchtet ist. Hierdurch wird die Kontur des Werkstückes sichtbar.
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Zum
anderen gibt es die Auflichtbeleuchtung, bei der das Werkstück von einer
Beleuchtungseinrichtung oberhalb des Werkstückes beleuchtet wird. Hierbei
haben sich insbesondere Beleuchtungseinrichtungen etabliert, bei
denen die Beleuchtungseinrichtung in einem Ring untergebracht ist,
der am Objektiv der Digitalkamera befestigt ist. Als Leuchtmittel
im Ring werden üblicherweise
Leuchtdioden verwendet.
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Bei
der Vermessung von Werkstücken
ist es insbesondere erforderlich, dass abhängig beispielsweise von der
Geometrie des Werkstückes,
der Oberflächenbeschaffenheit
des Werkstückes
oder den Materialien des Werkstückes
gezielt unterschiedliche Beleuchtungseinstellungen vorgenommen werden,
um möglichst
präzise
Messergebnisse zu erzielen. Beispielsweise kann die Helligkeit einzelner
oder aller Leuchtmittel der Beleuchtungseinrichtung variiert werden
oder die Wellenlängen,
mit denen die Leuchtmittel Licht aussenden. Wünschenswert wäre als Variation
auch, dass gezielt zwischen gerichteter Strahlung und diffuser Strahlung
gewechselt werden kann. Dies ist jedoch bei derartigen Messgeräten heute
im allgemeinen nicht möglich.
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Des
weiteren sind als optische Vorrichtung mit einer Beleuchtungseinrichtung
zur Beleuchtung eines Objektes Mikroskope bekannt, bei denen das zu
beobachtende Objekt mit der Beleuchtungseinrichtung beleuchtet wird.
Hierbei ist es bekannt, dass zwischen gerichteter Strahlung und
diffuser Strahlung umgeschaltet werden kann, indem in den Strahlengang
der Beleuchtungseinrichtung eine Streuscheibe eingebracht wird.
Zum Umschalten zwischen gerichteter Strahlung und gestreuter Strahlung
wird über
einen mechanischen Schiebemechanismus die Streuscheibe entweder
in den Strahlengang eingeschoben oder aus dem Strahlengang heraus
geschoben.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Vorrichtung mit
einer Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten eines Objektes vorzuschlagen,
mit dem möglichst
einfach zwischen gerichteter Strahlung und diffuser Strahlung umgeschaltet
werden kann. Aufgabe ist es ferner eine entsprechende Beleuchtungseinrichtung
zum Beleuchten eines Objektes vorzuschlagen.
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Die
Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und
23 gelöst.
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Lösungsgemäß ist hierzu
im Strahlengang der Beleuchtungseinrichtung ein elektronisch ansteuerbares
Streuelement angeordnet, dessen optisches Streuverhalten elektronisch
veränderbar
ist.
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Als
elektronisch ansteuerbares Streuelement kommen hierbei unterschiedliche
Elemente in betracht. Beispielsweise kann hierzu ein PDLC-Element
verwendet werden. PDLC steht hierbei für „Polymer Dispersed Liquid
Crystal". Ein derartiges
Element ist aus dem Stand der Technik bereits seit längerem bekannt.
Hierbei werden durch ein elektrisches Feld Flüssigkristalltröpfchen so
ausgerichtet, dass die an und für
sich streuende Wirkung dieser Flüssigkristalltröpfchen aufgehoben
wird.
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Derartige
PDLC-Elemente wurden in der Vergangenheit verwendet, um Glasscheiben
beispielsweise von Besprechungsräumen
wahlweise durchsichtig oder diffus streuend und damit undurchsichtig
zu machen. Hierbei ist das PDLC-Element auf einer Trägerfolie
aufgebracht, wobei die Folie grundsätzlich milchig trüb und damit
undurchsichtig ist. Sobald an eine solche PDLC-Folie eine elektrische Wechselspannung
angelegt wird, richten sich die Flüssigkristalle so aus, dass
durch die betreffende Glasscheibe hindurch gesehen werden kann.
Eine Folie der genannten Art kann beispielsweise von der Firma „MediaVision
GmbH" in Deutschland
unter der Bezeichnung „MagicFoil" bezogen werden.
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Genau
der eben beschriebene Effekt wird bei der Erfindung ausgenutzt.
Wird an ein PDLC-Element,
das sich im Strahlengang der Beleuchtungseinrichtung befindet, eine
elektrische Wechselspannung angelegt, so wird dieses Element durchsichtig. Damit
können
die Beleuchtungsstrahlen ungehindert durch das PDLC-Element hindurchtreten.
In diesem Fall wird das zu beleuchtende Objekt mit der vom Beleuchtungssystem
zur Verfügung
gestellten angularen Strahlungsverteilung bestrahlt, z.B. mit räumlich vollständig kohärenter Strahlung
oder mit einer stark vorwärts
gerichteten Strahlung. Wird hingegen keine elektrische Spannung
an das PDLC-Element angelegt, so wird dieses milchig trüb. Hierdurch
wird die Strahlung diffus.
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Ein
eben beschriebenes PDLC-Element kann nätürlich unterschiedlich befestigt
sein. Beispielsweise kann das PDLC-Element auf einer Trägerfolie
aufgebracht sein, so dass das PDLC-Element relativ flexibel eingesetzt
werden kann, indem die Folie beispielsweise auf eine Glasscheibe
oder eine transparente Kunststoffscheibe aufgeklebt wird. Alternativ
kann das PDLC-Element aber auch zwischen zwei Glasscheiben angeordnet
sein.
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Alternativ
zu einem PDLC-Element können aber
auch andere elektronisch ansteuerbare Streuelemente verwendet werden.
In Betracht kommen beispielsweise Powder-Displays oder SLMs („Spatial Light
Modulator") oder
LCoS-Elemente („Liquid
Crystal on Silicon").
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Bei
einem Powder-Display beispielsweise handelt es sich um eine reflektierende
Schicht, in der sich schwarze und weiße Kügelchen in einem elektrischen
Feld ausrichten. Bei positiver Spannung an der transparenten Elektrode
wandern die weißen
Pigmente an die Schirmoberfläche,
bei umgekehrtem Feld sorgen die schwarzen Pigmente für ein dunkles Pixel.
Grauwerte lassen sich über
eine gepulste Ansteuerspannung erzeugen. Die pigmentierten Kugeln liegen
zwischen zwei hauchdünnen
Glasplatten. Derartige Powder-Displays
werden beispielsweise von der Firma Bridgestone produziert.
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Die
weißen
Kügelchen
wirken hierbei streuend, während
die schwarzen das Licht absorbieren. Durch Einstellung eines geeigneten
Grauwertes mittels einer gepulsten Ansteuerspannung kann damit jeder
beliebige Grauwert eingstellt werden und das Powder-Display stufenlos
zwischen einem streuenden Zustand und einem absorbierenden Zustand
verändert
werden.
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Anders
als die PDLC-Elemente, die transmittieren und damit einfach nur
zwischen dem Leuchtmittel und dem zu beleuchtenden Objekt angeordnet zu
werden brauchen, um im Strahlengang der Beleuchtung angeordnet zu
sein, reflektiert das Powder-Display nur. Um dieses Display in den
Strahlengang der Beleuchtungseinrichtung einzubringen muss das Leuchtmittel
das Powder-Display beleuchten, wobei die vom Powder-Display reflektierten Strahlen
dann zum Beleuchten des Objektes verwendet werden. Das Powder-Display
funktioniert damit ähnlich
wie ein Spiegel. Um sicherzustellen, dass auch im vollständig absorbierenden
Zustand des Powder-Displays Strahlen auf das Objekt gelenkt werden,
kann die Glasplatte des Powder-Displays, die vom Leuchtmittel bestrahlt
wird mit einer dünnen metallischen
Schicht überzogen
werden, so dass unabhängig
vom Zustand des Powder-Displays
ein Teil der Strahlung als gerichtete Strahlung reflektiert wird, während die
restliche Strahlung in Abhängigkeit
vom Zustand des Powder-Displays mehr oder weniger stark gestreut
reflektiert wird.
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Bei
einem SLM handelt es sich um ein Array zur Modulation eines Laserstrahls.
Hierbei wird eine Maske mit einer Anzahl von Pixeln vorgesehen,
die auf der Basis von Flüssigkeitskristallen
funktionieren. Die Flüssigkeitskristalle ändern hierbei
den Brechungsindex für
parallel zur Kristallachse polarisiertes Licht in Abhängigkeit
zur anliegenden Spannung. Mit diesem Prinzip können sowohl die Phase, als auch
die Amplitude der transmitierten oder reflektierten Strahlung beeinflusst
werden. Damit ist es möglich, ähnlich einem
Hologramm ein Beugungsmuster zu erzeugen. Durch das SLM kann damit
ein Beugungsmuster erzeugt werden, das der gerichteten Strahlung
entspricht oder aber ein Beugungsmuster erzeugt werden, das einer
gestreuten Strahlung entspricht.
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Da
ein SLM entweder reflektierend oder aber auch transmittierend arbeiten
kann, kann das SLM entweder, wie im Zusammenhang mit dem Powder-Display
beschrieben, ähnlich
einem Spiegel verwendet werden, der das Licht des Leuchtmittels
auf das Objekt reflektiert oder aber transmittierend, indem der
SLM zwischen Leuchtmittel und Objekt angeordnet wird.
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Bei
LCoS-Elementen werden Flüssigkristalle verwendet,
deren Kristalle sich zwischen einem Glas- und einem Siliziumsubstrat
mit verspiegelter Oberfläche
befinden. Im Gegensatz zu transmittierenden LCD-Panels, die vom
Lampenlicht durchstrahlt werden, reflektieren LCoS-Panels das Licht. Das
Licht durchdringt die Flüssigkristallschicht,
trifft auf die verspiegelte Oberfläche des Siliziumsubstrats und
wird durch die Kristallschicht zurückgeworfen. Die Steuertransistoren
befinden sich hinter den verspiegelten Mini-Zellen und liegen nicht
mehr im optischen Strahlenweg, so dass die einzelnen Elemente dichter
aneinander platziert werden können.
Beispielsweise bieten die Firmen Hitachi und Claxan derartige LCoS-Displays
an. Damit können
auch LCoS-Elemente ähnlich
wie Powder-Displays zwischen einem streuend reflektierenden Zustand
und einem absorbierenden Zustand umgeschaltet werden.
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Wenn
man das Licht auf das elektronisch ansteuerbare Streuelement schickt,
erhält
man im streuenden Zustand quasi in alle Raumrichtungen gleichverteiltes
Licht. Durch Anordnung eines DOE (Diffraktiv Optisches Element)
im Strahlengang der Beleuchtung, beispielsweise vor das elektronisch
ansteuerbare Streuelement, wird aus einer radialen Verteilung eine
rechteckige Verteilung erzeugt. Hierdurch enthält das nachgeschaltete Detektionssystem weniger
Falschlicht und dafür
mehr Nutzlicht. Dies gilt nicht nur für den streuenden Zustand des
elektronisch ansteuerbaren Streuelementes, sondern auch für den nicht – streuenden Zustand,
wobei im streuenden Zustand des elektronisch ansteuerbaren Streuelementes
die Wirkung größer ist
als im nicht – streuenden
Zustand.
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Die
Wirkung des elektronisch ansteuerbaren Streuelementes lässt sich
noch erhöhen,
indem mehrere elektronisch ansteuerbare Streuelemente hintereinander
angeordnet werden.
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Sofern
als Leuchtmittel ein Leuchtmittel verwendet wird, das räumlich kohärente Strahlen
aussendet, wie beispielsweise eine Laserdiode, so weisen die Strahlen
dieses Leuchtmittels üblicherweise einen
relativ kleinen Strahldurchmesser auf. Vorteilhaft kann der Strahldurchmesser
vergrößert werden, indem
beispielsweise ein telezentrisches Aufweitungssystem zwischen dem
Leuchtmittel und dem elektronisch ansteuerbaren Streuelement angeordnet
wird. Vorteilhaft wird hierbei ein Gallilei-System verwendet, bei
dem keine Fokussierung des Strahls erfolgt. Hierdurch kann Plasmabildung
verhindert werden.
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Vorteilhaft
kann das elektronisch ansteuerbare Streuelement Bestandteil eines
Aufsatzes sein, der auf einem einzelnen Leuchtmittel, wie beispielsweise
eine Leuchtdiode, einer organischen Leuchtdiode oder einer Laserdiode
montiert ist. Im Falle einer Leuchtdiode einer organischen Leuchtdiode
oder einer Laserdiode kann der Aufsatz ein Röhrchen umfassen, dessen eines
Ende mit einem transmittierenden elektronisch ansteuerbaren Streuelement überdeckt
ist. Das Röhrchen
ist mit seinem anderen Ende auf eine Leuchtdiode, eine organische
Leuchtdiode oder eine Laserdiode aufgesteckt. Vorteilhaft sind auf der
Innenseite des Röhrchens
und/oder der Außenseite
des Röhrchens
wenigstens eine elektrische Leitung vorgesehen, über die das elektronisch ansteuerbare
Streuelement dann elektrisch ansteuerbar ist.
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Um
das elektronisch ansteuerbare Streuelement wahlweise zwischen dem
nicht streuenden Zustand und dem streuenden Zustand umschalten zu können, ist
vorteilhaft in der optischen Vorrichtung eine Spannungsquelle vorgesehen,
die mit dem elektronisch ansteuerbaren Streuelement verbunden werden
kann. Dazu sollte zwischen der Spannungsquelle und dem elektronisch
ansteuerbaren Streuelement ein Schaltmechanismus vorgesehen sein, über den
die Spannungsquelle mit dem elektronisch ansteuerbaren Streuelement
wahlweise elektrisch verbunden oder auch elektrisch getrennt werden
kann. Bei diesem Schaltmechanismus sind alle bekannten Mechanismen
einsetzbar, wie beispielsweise ein mechanischer Kippschalterschalter
oder eine elektronische Schaltung, die z.B. durch einen Tastendruck,
einen Berührungssensor,
ein Computerprogramm oder ähnliches
ein und ausgeschaltet wird.
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Zur
Ansteuerung des elektronisch ansteuerbaren Streuelementes kann ein
Ansteuerelement vorgesehen sein, mit dem wenigstens eine elektrische
Eigenschaft des Ansteuersignals zur Ansteuerung des elektronisch
ansteuerbaren Streuelementes verändert
werden kann, um hierdurch das optische Streuverhalten zu verändern. In
Abhängigkeit
vom jeweiligen elektronisch ansteuerbaren Streuelement können dies
unterschiedliche elektrische Eigenschaften sein. Handelt es sich
beim elektronisch ansteuerbaren Streuelement um ein PDLC-Element,
so kann beispielsweise die Spannung und/oder der Strom der Wechselspannungsquelle
veränderbar
sein, die am elektronisch ansteuerbaren Streuelement anliegt. Dies
ist beispielsweise durch ein Potentiometer oder durch eine elektronische
Regelschaltung möglich. Hierdurch
lässt sich
das Streuverhalten des PDLC-Elementes in unterschiedlichen Abstufungen verändern.
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Im
Falle eines Powder-Displays kann das Ansteuerelement beispielsweise
die Polarität
einer Gleichspannungsquelle vertauschen, um zwischen dem absorbierenden
Zustand und dem streuenden Zustand umzuschalten. Um auch dazwischen
liegende Grauwerte zu erzeugen, kann das Ansteuerelement zusätzlich eine
elektronische Schaltung umfassen, mit der die notwendigen elektrischen
Pulse erzeugt werden.
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Bei
dem Schaltmechanismus und/oder bei dem besagten Ansteuerelement
handelt es sich vorteilhaft um eine elektronische Schaltung, die
durch eine Software gesteuert wird. Die Software kann beispielsweise
auf einem Rechner der optischen Vorrichtung oder in einem Mikroprozessor
einer Steuerung der optischen Vorrichtung ausgeführt werden. Hierdurch kann
ein Ablauf, beispielsweise ein CNC-Messablauf in einem Messgerät, erstellt
werden, bei dem während
des Ablaufes das Streuverhalten des elektronisch ansteuerbaren Streuelementes verändert wird.
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Bei
der optischen Vorrichtung kann es sich prinzipiell um jede Vorrichtung
handeln, bei der ein Objekt durch eine Beleuchtungseinrichtung beleuchtet
wird, wie beispielsweise ein Mikroskop, mit dem Objekte vergrößert beobachtet
werden können.
Bevorzugt handelt es sich insbesondere um eine optische Messvorrichtung,
wie ein Messmikroskop. Ganz besonders vorteilhaft handelt es sich
um ein Koordinatenmessgerät,
mit dem Werkstücke zumindest
in zwei Koordinatenrichtungen vermessen werden können. Ein solches Koordinatenmessgerät weist üblicherweise
eine Digitalkamera auf, die digitale Bilder des zu vermessenden
Werkstückes
liefert. Das Koordinatenmessgerät
weist dabei üblicherweise
eine Mechanik auf, über
die die Digitalkamera in wenigstens zwei Koordinatenrichtungen relativ
zum Werkstück
verfahren werden kann.
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Die
Beleuchtungseinrichtung kann hierbei, wie bereits oben ausgeführt, eine
Auflichtbeleuchtung sein, mit der das Werkstück von einer Beleuchtungseinrichtung
oberhalb des Werkstückes
beleuchtet wird. Hierbei kann die Auflichtbeleuchtung in einem Ring
integriert sein, der auf das Objektiv der Digitalkamera aufgesetzt
ist. Die Leuchtmittel können in
dem besagten Ring auch in Richtung der optischen Achse der Digitalkamera
geneigt sein, wobei der Neigungswinkel bei mehreren Leuchtmitteln
gegen die optische Achse der Digitalkamera auch unterschiedlich
ausfallen kann.
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Die
Beleuchtung kann aber auch eine Durchlichtbeleuchtung sein. Hierbei
ist die Durchlichtbeleuchtung besonders vorteilhaft in die Messauflage für das Werkstück integriert,
so dass also der Untergrund, auf dem das Werkstück aufliegt, beleuchtet ist.
Hierdurch wird die Kontur des Werkstückes sichtbar.
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Selbstverständlich umfasst
jede erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung
auch wenigstens ein Leuchtmittel. Als Leuchtmittel kommen hierbei
die unterschiedlichsten Varianten in Betracht. Beispielsweise kann
als Leuchtmittel wenigstens eine Leuchtdiode und/oder eine Laserdiode
und/oder eine organische Leuchtdiode und/oder eine Halogenlampe vorgesehen
sein.
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Weitere
Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung können den Figuren entnommen
werden, die die Erfindung rein beispielhaft anhand eines optischen
Koordinatenmessgerätes
zeigen. Hierin zeigen:
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1:
Ein Koordinatenmessgerät
mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung
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2:
Ein Teil des Koordinatenmessgerätes nach 1 mit
der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 10
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3:
Ein Teil des Koordinatenmessgerätes nach 1 mit
einer geänderten
Variante der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 11
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4:
Digitalkamera 5 nach 3 von unten
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5:
Schematische Ansicht des Beleuchtungsringes 21 der Digitalkamera 5 nach 3 und 4
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6:
Schematische Ansicht des Beleuchtungsringes 21 der Digitalkamera 5 nach 3 und 4,
bei dem mit einem Potentiometer die an dem PDLC-Element 23 anliegende
Spannung verändert werden
kann
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7:
Schematische Ansicht einer alternativen Ausführungform zu 5 und 6,
bei der einem einzelnen Leuchtmittel ein PDLC-Element zugeordnet
ist
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8:
Schematische Darstellung der Funktion eines PDLC-Elementes, an dem
keine Spannung anliegt
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9:
Schematische Darstellung der Funktion eines PDLC-Elementes, an dem
eine Spannung anliegt
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10:Schematische
Darstellung zur Erläuterung
der Streuung
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1 zeigt
eine optische Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung
in Form eines Koordinatenmessgerätes.
Das Koordinatenmessgerät
ist hier beispielhaft in Form eines sogenannten Portalmessgerätes aufgebaut.
Es weist eine Basis 1 auf, wobei entlang der Basis 1 ein
Portal 2 in der mit y bezeichneten Richtung beweglich gelagert ist.
Das Portal 2 wird hierbei über einen nicht sichtbaren
Antrieb in der betreffenden Richtung verfahren, wobei die jeweilige
Position über
einen Maßstab 8c bestimmt
wird. Entlang dem die Basis 1 überspannenden Teil des Portals 2 ist
in der mit x bezeichneten Richtung ein X-Schlitten 3 beweglich
gelagert, der ebenfalls über
einen nicht dargestellten Antrieb bewegt werden kann und dessen
Position über
einen Maßstab 8a bestimmt
wird. Am X-Schlitten 3 wiederum ist in der mit z bezeichneten
Richtung eine Pinole 4 beweglich gelagert, deren Position
ebenfalls über einen
Maßstab 8b bestimmt
wird und die ebenfalls über
einen nicht näher
gezeigten Antrieb verstellt werden kann. Am unteren Ende der Pinole
ist eine Digitalkamera 5 befestigt, die somit in drei Koordinatenrichtungen
relativ zum Werkstück 7 verfahren
werden kann. Mit der Digitalkamera 5 können Bilder von der Kontur
eines zu vermessenden Werkstückes 7 erzeugt
werden, das auf einer in die Basis 1 integrierten Glasscheibe 18 aufliegt.
Aus den digitalen Bildern der Digitalkamera 5 des zu vermessenden
Werkstückes 7 und
den Messwerten der Maßstäbe 8a, 8b, 8c kann dann
der Verlauf der Konturen bestimmt werden, indem aus den jeweiligen
Bildern die Lage der Kante des Werkstückes 7 in den Bildern
bestimmt wird und die jeweils bestimmte Lage der Kante mit den Maßstabswerten
der Maßstäbe 8a, 8b, 8c verrechnet wird.
Hierdurch kann das Werkstück 7 in
wenigstens zwei Koordinatenrichtungen (x,y) vermessen werden. Die
Ansteuerung der Antriebe, die Auswertung der Maßstäbe 8a, 8b, 8c und
der Bilder der Digitalkamera 5 und auch die Steuerung der
noch zu beschreibenden erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung
erfolgt durch einen Steuer- und Auswerterechner 9, der
hier als ein handelsüblicher
Personal Computer ausgebildet ist, in den entsprechende Karten eingesetzt
sind, um in Echtzeit mit den Komponenten des Koordinatenmessgerätes zu interagieren. Dieser
Personal Computer umfasst einen flüchtigen Speicher (RAM), in
dem das auszuführende
Programm geladen wird und einen Prozessor, mit dem das Programm
abgearbeitet wird sowie elektronische Zusatz-Komponenten, so genannte
PC-Karten, die mit der Peripherie zusammenarbeiten.
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Damit
die Digitalkamera 5 die Kontur des Werkstückes 7 als
Bilder aufzeichnen kann, weist das Koordinatenmessgerät auch eine
erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung 10 auf,
die hier in die Basis 1, also in die Werkstückauflage,
integriert ist, wobei das Werkstück 7 hier
auf der Beleuchtungseinrichtung 10 aufliegt, so dass die
Beleuchtungseinrichtung 10 Bestandteil der Werkstückauflage
ist. Das zu beleuchtende Objekt ist in diesem Ausführungsbeispiel
ein Werkstück 7.
Im konkreten Fall ist die Beleuchtungseinrichtung damit als Durchlichtbeleuchtung
ausgestaltet. Der Aufbau dieser erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 10 ist
beispielhaft anhand von 2 zu sehen, die unter anderem
einen kleinen, rein schematischen Ausschnitt der Beleuchtungseinrichtung 10 darstellt.
Wie hieraus zu sehen, umfasst die Beleuchtungseinrichtung 10 hier
neben einem rein schematisch dargestellten Leuchtmittel 20 unter
anderem auch ein elektronisch ansteuerbares Streuelement in Form
eines PDLC-Elementes 19, dessen optisches Streuverhalten
elektronisch veränderbar
ist. Das PDLC-Element 19 ist auf einer nicht näher zu sehenden
Trägerfolie aufgebracht,
die hierbei auf der Unterseite einer Glasscheibe 18 aufgeklebt
ist. Das elektronisch ansteuerbare Streuelement (PDLC-Element 19)
ist über elektrische
Leitungen mit einer Spannungsquelle 17 verbunden, die Wechselspannung
liefert. Das elektronisch ansteuerbare Streuelement (PDLC-Element 19)
und die Spannungsquelle 17 kann über einen ebenfalls rein schematisch
dargestellten Schaltmechanismus, der in Form eines Schalters 16 gezeigt ist,
wahlweise elektronisch verbunden oder auch getrennt werden, indem
der Schalter 16 geöffnet
und geschlossen wird.
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Solange
der Schalter 16 geschlossen ist, ist das PDLC-Element 19 durchsichtig.
Hierdurch kann die Digitalkamera 5, an dessen unterem Ende
das Objektiv 15 der Digitalkamera zu sehen ist, die Kante Ka
des Werkstückes 7,
das unmittelbar auf der Glasscheibe 18 aufliegt, aufzeichnen.
Wird der Schalter 16 hingegen geöffnet, so ist der elektronische
Schaltkreis zwischen PDLC-Element 19 und der Spannungsquelle 17 unterbrochen.
Hierdurch trübt
sich das PDLC-Element milchig. Da sich das PDLC-Element 19 (elektronisch
ansteuerbares Streuelement) zwischen dem Leuchtmittel 20 und
dem zu beleuchtenden Objekt (Werkstück 7), und damit im
Strahlengang der Beleuchtungseinrichtung 10 befindet, wird die
aus der Glasscheibe 18 austretende Strahlung des Leuchtmittels 20 nun
diffus, was ggf. zu einem verbesserten Digitalbild der Kante des
Werkstückes 7 führen kann.
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Der
Schaltmechanismus (schematisch dargestellter Schalter 16)
ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
tatsächlich
eine softwaregesteuerte elektronische Schaltung, die auf einer Karte
im Mess- und Auswerterechner 9 (siehe 1)
untergebracht ist, wobei die softwaregesteuerte elektronische Schaltung
in Übereinstimmung
mit einem entsprechenden Befehl im Messprogramm entweder an oder ausgeschaltet
werden kann. Natürlich
kann die Karte sich auch an einer anderen Stelle befinden, beispielsweise
in einer vom Steuer- und Auswerterechner 9 getrennten Mikroprozessorsteuerung.
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In 3 ist
ebenfalls rein schematisch eine grundsätzlich zweite Variante einer
erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 11 gezeigt,
wobei gleiche Komponenten aus den 1 und 2 mit
gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Im Unterschied zu 1 und 2 ist
die Beleuchtungseinrichtung 11 hier nicht in der Basis 1 angeordnet,
sondern oberhalb des Werkstückes 7,
in einem Ring 21, der auf das Objektiv 15 der
Digitalkamera 5 aufgesetzt ist. Somit kommt das Licht in
dieser Ausführungsform
nicht von der gegenüberliegenden
Seite des Werkstückes 7,
sondern von der gleichen Seite. Es handelt sich also um eine Auflichtbeleuchtung. 4 zeigt
das Objektiv 15 mit der untersten Linse 43 von
unten, wobei auf dem Objektiv 15 der Ring 21 befestigt
ist. Wie hieraus zu sehen ist, sind gleichmäßig über
den Ring 21 verteilt Leuchtmittel in Form von Leuchtdioden 22 verteilt.
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Details
des Rings 21 werden rein schematisch anhand von 5 dargestellt.
Wie hieraus zu sehen, ist das dem Werkstück 7 zugewandte Ende des
Rings 21 mit einem PDLC-Element 23 überzogen,
wobei das PDLC-Element 23 über elektrische Leitungen mit
einer Spannungsquelle 24 verbunden ist. Die Strahlung,
mit der die Leuchtdioden 22 das Werkstück 7 beleuchten müssen hier
das PDLC-Element 23 passieren, so dass sich auch hier das
elektronisch ansteuerbare Streuelement (PDLC-Element 23)
im Strahlengang der Beleuchtungseinrichtung 11 befindet.
Der Stromkreis zwischen der Spannungsquelle 24, die Wechselspannung
liefert, und dem PDLC-Element 23 (elektronisch ansteuerbares Streuelement)
kann hierbei durch einen Schaltmechanismus, der hier ebenfalls nur
schematisch als Schalter 25 gezeigt ist, elektrisch verbunden
oder auch elektrisch getrennt werden. Auch dieser Schalter 25 ist,
genau wie der oben im Zusammenhang mit 2 dargestellte
Schalter 16 als softwaregesteuerte elektronische Schaltung
in Form einer elektronischen Karte im Mess- und Auswerterechner 9 vorgesehen,
wobei diese Karte den elektrischen Stromkreis in Abhängigkeit
von entsprechenden Programmbefehlen des Messprogramms entweder schließen oder öffnen kann.
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In 6 ist
eine andere Ausführungform
einer Beleuchtungseinrichtung 11 rein schematisch dargestellt,
wobei gleiche Bezugszeichen auch dasselbe bezeichnen, wie in 5.
Wie aus 6 zu sehen, unterscheidet sich 6 von 5 lediglich
dadurch, dass im Stromkreis zwischen der Spannungsquelle 24 und
dem PDLC-Element 23 ein Potentiometer 34 vorgesehen
ist, über
das kontinuierlich die Spannung, die an dem PDLC-Element 23 anliegt, verändert werden
kann. Hierdurch können
zwischen dem streuenden Zustand und dem nicht-streuenden Zustand
auch Zwischenzustände
realisiert werden. Das Potentiometer 34 wird hierbei rein
schematisch als Ansteuerelement verwendet, um hierüber eine elektrische
Eigenschaft des Ansteuersignals (die Spannung) zur Ansteuerung des
elektronisch ansteuerbaren Streuelementes (PDLC-Element 23)
zu ändern,
um hierdurch das optische Streuverhalten zu verändern.
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Auch
das Ansteuerelement, hier nur rein schematisch als Potentiometer 34 dargestellt,
ist tatsächlich
als softwaregesteuerte elektronische Schaltung auf einer elektronischen
Karte im Mess- und Auswerterechner 9 vorgesehen, wobei
diese Karte die jeweilige Spannung in Abhängigkeit von entsprechenden
Programmbefehlen des Messprogramms einstellt.
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7 zeigt
eine schematische Ansicht einer alternativen Ausführungsform
zu den 5 und 6, bei der das elektronisch
ansteuerbare Streuelement (PDLC-Element 31) Bestandteil
eines Aufsatzes ist, der auf einem einzelnen Leuchtmittel, hier
einer Leuchtdiode 22, montiert ist. Der Aufsatz umfasst ein
Röhrchen 32,
an dessen einem Ende das elektronisch ansteuerbare Streuelement
(PDLC-Element 31) befestigt ist, so dass das PDLC-Element 31 hierbei
ein Ende des Röhrchens 32 überdeckt.
Das andere Ende des Röhrchens 32 ist
einfach auf die Leuchtdiode 22 aufgesteckt. Die Spannungsquelle 24,
die Wechselspannung liefert, ist hierbei wiederum rein schematisch
gezeichnet über
einen Schalter 25 elektrisch mit dem PDLC-Element 31 verbunden.
Wie ebenfalls aus 7 zu sehen, wird hierbei eine
Zuleitung zum PDLC-Element 32 auf der Innenseite des Röhrchens 32 an
das PDLC-Element 31 herangeführt, während die andere Zuleitung
auf der Außenseite
des Röhrchens 32 an
das PDLC-Element 31 herangeführt wird. Über ein derartiges Element
können
Leuchtdioden (LED), Organische Leuchtdioden (OLED) oder auch Laserdioden
einfach mit PDLC-Elementen
bestückt
werden.
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Anhand
von 8 und 9 soll nochmals rein schematisch
die Funktionsweise eines PDLC-Elementes
verdeutlicht werden. Wie aus 8 zu sehen,
umfasst ein PDLC-Element auf zwei Seiten ein leitendes Element 29 und 30,
an die durch die Spannungsquelle 24 eine Wechselspannung
angelegt werden kann, wenn der Schalter 25 geschlossen
ist. Zwischen den leitenden Elementen 29 und 30 sind
Flüssigkristalltröpfchen 28 angeordnet.
Für den Fall,
dass keine Wechselspannung an den leitenden Elementen 29 und 30 anliegt,
wie dies in 8 gezeigt ist, sind die Flüssigkristalltröpfchen 28 angerichtet,
sodass Lichtstrahlen 27 an den Flüssigkristalltröpfchen 28 gestreut
werden. In 9 hingegen ist der Schalter 25 geschlossen,
so dass eine Wechselspannung an den leitenden Elementen 29 und 30 anliegt.
Hierdurch werden die Flüssigkristalltröpfchen 28 ausgerichtet,
sodass Lichtstrahlen 27 nicht mehr an den Flüssigkristalltröpfchen 28 gestreut
werden.
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In 10 soll
die Wirkung der Streuung erläutert
werden. Hierzu ist zunächst
ein Lichtstrahl 33 zu sehen, der rein schematisch in Form
eines Pfeils dargestellt ist, wobei dessen Pfeilspitze im Ursprung 34 der
Darstellung endet. Das Leuchtmittel, hier beispielsweise eine Leuchtdiode 22 aus 5, 6 oder 7,
stellt eine räumlich
teilkohärente
Strahlung mit einem Divergenzwinkel von beispielsweise 30° zur Verfügung.. Der
Divergenzwinkel ist üblicherweise über den
Winkel definiert, unter dem noch 50 % der Lichtstärke I, die
unter 0° gemessen
wird, detektiert werden kann. Im Falle von Leuchtdioden sind dies
typischerweise 10-40 ° (je
nach Größe der Emissionsfläche).
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Ferner
kann man sich ebenfalls prinzipiell vorstellen, dass im Ursprung 34 ein
Flüssigkristalltröpfchen sitzt,
das abhängig
davon, ob am PDLC-Element eine Wechselspannung anliegt, entweder
streut oder aber nicht streut. Für
den Fall, dass keine Wechselspannung am PDLC-Element anliegt, und
das PDLC-Element streut, ergibt sich für die winkelabhängige Verteilung
der Lichtstärke
I in Abhängigkeit
vom Winkel um die 0°-Achse 37 die
mit dem Bezugszeichen 35 bezeichnete Verteilung. Für den Fall,
dass eine Wechselspannung am PDLC-Element anliegt, und das PDLC-Element
somit nicht streut, ergibt sich für die winkelabhängige Verteilung
der Lichtstärke
I in Abhängigkeit
vom Winkel um die 0°-Achse 37 die
mit dem Bezugszeichen 36 bezeichnete Verteilung. Bezogen
auf die rein beispielhafte und schematische Darstellung gemäß 10 bedeutet
dies, dass in Bereichen über
+/– 30° um die 0°-Achse 37 die
Lichtstärke
I weniger als 50 % der Lichtstärke
I in Richtung der 0°-Achse
ist. Die Strahlung ist also gerichtet. Diese Verteilung entspricht
hierbei in etwa der winkelabhängigen
Verteilung der Lichtstärke
I der Leuchtdiode, die aus gründen
der Übersichtlichkeit nicht
in das Diagramm nach 10 eingezeichnet ist.
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Natürlich kann
anstelle der Leuchtdiode 22 auch ein Leuchtmittel verwendet
werden, das räumlich
kohärente
Strahlung aussendet, wie beispielsweise eine Laserdiode, die einen
Divergenzwinkel von typischerweise 0,1–1° aufweist. Für den Fall, dass eine Wechselspannung
am PDLC-Element anliegt, und das PDLC-Element somit nicht streut,
ergibt sich für
die winkelabhängige
Verteilung der Lichtstärke
I eine Verteilung, die aufgrund des geringen Divergenzwinkels in
etwa mit der 0°-Achse 37 zusammenfällt. Für den Fall,
dass keine Wechselspannung am PDLC-Element anliegt, und das PDLC-Element
streut, könnte
sich für
die winkelabhängige
Verteilung der Lichtstärke
I in Abhängigkeit
vom Winkel um die 0°-Achse 37 eine
Verteilung ergeben, die ähnlich
wie die mit dem Bezugszeichen 36 bezeichnete Verteilung
aussieht und damit einen geringeren Divergenzwinkel aufweist, als
eine Leuchtdiode, die die streuende PDLC-Folie beleuchtet. Um einen
größeren Divergenzwinkel
zu erzielen, könnte
hinter die PDLC-Folie ein weiteres elektronisch ansteuerbares Streuelement
angeordnet werden.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung in keiner Weise auf das beschriebene Ausführungsbeispiel
begrenzt. Beispielsweise kann die Mechanik des Koordinatenmessgerätes vielfältig variieren.
Es kann beispielsweise auch eine Ständermechanik oder eine Brückenmechanik
verwendet werden oder auch das Werkstück auf einem in einer oder
mehreren Messrichtungen beweglichen Messtisch gelagert sein. Anstelle
der Linearachsen können
zum Bewegen der Digitalkamera oder des Werkstückes auch Drehgelenke verwendet
werden. Anstelle eines Koordinatenmessgerätes kann es sich aber auch
um eine völlig
andere optische Vorrichtung handeln, bei der eine Beleuchtungseinrichtung
benötigt
wird, wie beispielsweise ein Mikroskop.