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Die Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät, mit dem Werkstücke zumindest in zwei Koordinatenrichtungen vermessen werden können, mit einer Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten eines Objektes.
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Derartige Koordinatenmessgeräte sind bereits seit langem bekannt. Beispielsweise gibt es 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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In der Druckschrift
DE 100 57 737 A1 ist ein CCD-Kamera-Sensor für ein Koordinatenmessgerät gezeigt, wobei im Bereich des Objektives der Kamera eine Ringbeleuchtungsquelle zur Beleuchtung des zu vermessenden Werkstückes vorgesehen ist. In einer Ausführungsvariante ist hierbei im Strahlengang der Ringbeleuchtungsquelle eine Diffusorplatte befestigt, damit das Werkstück gleichmäßig mit Beleuchtungslicht beleuchtet werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Koordinatenmessgerät der oben genannten Art mit einer Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten eines Objektes vorzuschlagen, mit dem möglichst einfach zwischen gerichteter Strahlung und diffuser Strahlung umgeschaltet werden kann.
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Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 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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Beleuchtungseinrichtungen mit einem elektronisch ansteuerbaren Streuelement im Strahlengang waren zwar aus dem Stand der Technik bekannt, allerdings nur aus speziellen Beleuchtungseinrichtungen für Geräte, die zu Koordinatenmessgeräten gattungsfremd sind.
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So zeigt die Druckschrift
DE 197 41 616 A1 eine relativ komplexe adaptive Beleuchtungseinrichtung für ein Endoskop, die neben einem ungeordneten Faserbündel, einem zweilinsigen Kondensorsystem, einer Projektionsoptik und einem weiteren Faserbündel unter anderem auch ein optisches Element aufweist, das mit einem PDLC-Film versehen ist und zur selektiv ansteuerbaren Streuung dient.
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Die Druckschrift
DE 100 46 435 C1 zeigt einen Scanner zur Erkennung von Defekten auf der Oberfläche von photographischen Bildvorlagen. In der Beleuchtungseinrichtung der zu scannenden Bildvorlage befindet sich in einem der Ausführungsbeispiele ein Streumedium, das mittels eines elektrischen Feldes zwischen einem streuenden und einem transparenten Zustand geschaltet werden kann.
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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 an 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 ihr 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 im Koordinatenmessgerät 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 des Koordinatenmessgerätes oder in einem Mikroprozessor einer Steuerung des Koordinatenmessgerätes ausgeführt werden. Hierdurch kann ein CNC-Messablauf im Koordinatenmessgerät erstellt werden, bei dem während des Ablaufes das Streuverhalten des elektronisch ansteuerbaren Streuelementes verändert wird.
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Ein Koordinatenmessgerät, mit dem Werkstücke zumindest in zwei Koordinatenrichtungen vermessen werden können, 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 ein Koordinatenmessgerät mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung. 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 ungerichtet, 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, konnte 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.
