DE102010061862B4 - Optisches Inspektionssystem - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Inspektionssystem, ausgebildet zur Abbildung eines zu inspizierenden Objektes mit veränderlichem Abbildungsmaßstab. Es umfasst ein aus mehreren Linsengruppen bestehendes Variationssystem, eine dem Variationssystem nachfolgende Linsengruppe zur Abbildung des Objektes in die Bildebene des Inspektionssystems und eine Lichtquelle zur Erzeugung von Licht zur Beleuchtung des Objektes.
- Optische Inspektionssysteme dieser Art arbeiten berührungslos und schnell und sind dadurch insbesondere zur Verwendung im Zusammenhang mit digitalen Bildverarbeitungssystemen geeignet.
- Sollen jedoch besonders interessierende Objektdetails genauer betrachtet werden, sind die Möglichkeiten begrenzt. Werden nämlich bei den bekannten Systemen Objektdetails zusätzlich vergrößert, werden lediglich so genannte leere Vergrößerungen erzielt, da nicht zugleich auch die numerische Apertur vergrößert wird. Nachteiligerweise nimmt infolge einer solchen Vergrößerung bei gleich bleibender Apertur die Beleuchtungsstärke sowohl in der Objekt- als auch in der Bildebene erheblich ab.
- Wird das Objekt dazu noch seitlich beleuchtet, führt dies zur Entstehung von Schatten im Objektfeld. Innerhalb der Schatten liegende Objektdetails sind schlecht auflösbar und können deshalb falsch interpretiert werden.
- In der
US 6 335 833 B1 wird ein afokales Zoomsystem für ein Stereomikroskop beschrieben, welches mindestens vier Linsengruppen umfasst: von der Objektseite her betrachtet eine erste Linsengruppe mit positiver Brechkraft, eine zweite Linsengruppe mit negativer Brechkraft, eine dritte Linsengruppe mit positiver Brechkraft und eine vierte Linsengruppe mit negativer Brechkraft. Die erste und vierte Linsengruppe sind stationär im Strahlengang angeordnet, die beiden anderen Linsengruppen lassen sich entlang der optischen Achse verschieben. - Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein optisches Inspektionssystem der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass mit der Weiterbildung die Nachteile des Standes der Technik behoben sind. Der dazu erforderliche technische Aufwand soll möglichst gering gehalten werden.
- Gelöst wird diese Aufgabe, indem erfindungsgemäß
- - das Variationssystem aus fünf Linsengruppen besteht und ausgebildet ist zur Abbildung des Objektes in einen Unendlichraum,
- - die dem Variationssystem nachfolgende Linsengruppe zur Abbildung des Objektes aus dem Unendlichraum in die Bildebene des Inspektionssystems vorgesehen ist, und
- - im Luftraum zwischen der fünften Linsengruppe und der nachfolgenden Linsengruppe Mittel zur Abbildung des Beleuchtungslichtes in die Austrittspupille des Variationssystems vorgesehen sind.
- Von den fünf Linsengruppen des Variationssystems sind, in Abbildungsrichtung betrachtet, die erste, zweite und vierte Linsengruppe in Richtung der optischen Achse verschiebbar angeordnet, die dritte und fünfte Linsengruppe dagegen sind nicht verschiebbar.
- In anderen Worten: Die Aufgabenstellung wird mittels eines fünfgliedrigen Variationssystems gelöst, dem ein verhältnismäßig großer, zur Einkopplung der Beleuchtung vorgesehener Luftraum sowie eine weitere Linsengruppe folgen. Die erste Linsengruppe des Variationssystems ist entlang der optischen Achse verschiebbar, sie dient der Einstellung des Abstandes zum Objekt. Die Linsengruppen zwei und vier sind ebenfalls verschiebbar, sie bewirken eine Veränderung des Abbildungsmaßstabes um das 16- bis 20-fache. Durch besondere Kopplung der Bewegungen dieser beiden Linsengruppen gemäß der Erfindung wird eine Schwankung der Bildebenenposition verhindert. Das Variationssystem bildet das zu untersuchende Objekt ins Unendliche ab. Aus diesem Grunde eignet sich der nachfolgende größere Luftraum ideal zur Einkopplung der Beleuchtung. Die darauf folgende, sammelnde Linsengruppe bildet das Objekt aus dem Unendlichen in die Bildebene des Gesamtsystems ab.
- Anmerkung: die Bezeichnungen Linsengruppe wird in dieser Erfindungsbeschreibung als Synonym zu dem häufig im Stand der Technik gebrauchten Begriff optisches Glied verwendet.
- Mit den optional zwischen der letzten Linsengruppe des Variationssystems und der nachfolgenden sammelnden Linsengruppe vorgesehenen Mittel zur Abbildung des Beleuchtungslichtes in die Austrittspupille des Variationssystems wird die Bildung von störenden Schatten auf dem zu betrachtenden Objektfeld weitestgehend verhindert, da nun das Objekt aus der Beobachtungsrichtung beleuchtet wird.
- Weiterhin wird mit der Erfindung erreicht, dass mit größer werdendem Abbildungsmaßstab die objektseitige numerische Apertur zunimmt, was vorteilhaft eine Erhöhung des Auflösungsvermögens und der Beleuchtungsstärke in der Objektebene zur Folge hat. In der Bildebene kommt es dabei zu einer im Vergleich zum Stand der Technik nur geringfügigen Abnahme der Helligkeit.
- Die erste Linsengruppe besteht aus einer Zweifachkittgruppe, deren Brennweite positiv ist und zwischen 160 mm und 125 mm liegt. Ihr freier Durchmesser beträgt mindestens 40 mm. Sie ist vorzugsweise aus einer Sammellinse aus Fluorkronglas und einer Zerstreuungslinse aus Kurzflintglas gebildet. Dieser Zweifachkittgruppe kann in Abbildungsrichtung ein brechkraftfreier Meniskus nachgeordnet sein, der objektseitig vorzugsweise gewölbt ausgeführt ist.
- Die zweite Linsengruppe hat eine negative Brennweite zwischen 25.5 mm und 30.5 mm. Ihr Verschiebeweg entlang der optischen Achse ist vorzugsweise doppelt so groß wie der Betrag ihrer Brennweite.
- Die dritte Linsengruppe hat eine positive Brennweite zwischen 43 mm und 44.5 mm. Sie ist aus zwei oder drei sammelnden Linsen gebildet, wobei mindestens zwei dieser Linsen aus Fluorkronglas bestehen. Vorzugsweise ist diese Linsengruppe achromatisch korrigiert ausgeführt.
- Die vierte Linsengruppe hat eine negative Brennweite zwischen 37 mm und 44 mm. Sie ist als Zweifachkittglied ausgebildet, welches eine Sammellinse aus Kurzflintglas umfasst. Ihr Verschiebeweg entlang der optischen Achse entspricht vorzugsweise dem bis zu 1,35-fachen des Betrages ihrer Brennweite.
- Die fünfte Linsengruppe hat eine positive Brennweite zwischen 179 mm und 184 mm. Sie ist als Zweifachkittglied ausgebildet, welches eine Sammellinse aus Fluorkronglas und eine Zerstreuungslinse aus Kurzflintglas umfasst.
- Zwischen der dritten Linsengruppe und der vierten Linsengruppe ist eine Öffnungsblende vorgesehen.
- Die dem Variationssystem nachfolgende sammelnde Linsengruppe ist als auskorrigiertes, insbesondere achromatisiertes optisches System mit einem Lichtleitwert von 1,15 ausgebildet.
- Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen optischen Inspektionssystems besteht darin, dass der Abbildungsmaßstab um einen Faktor von mindestens 16-fach veränderbar ist. Dabei wird eine Veränderung der numerischen Apertur erreicht, so dass ein größerer Abbildungsmaßstab auch zu einer Auflösungssteigerung führt. Der Abstand zwischen dem zu untersuchenden Objekt und der ersten Linsengruppe ist mittels Innenfokussierung frei wählbar und lässt dadurch eine weitere Steigerung des Abbildungsmaßstabes zu.
- Weiterhin ist das System zur Beobachtung von verhältnismäßig großen Objekten ausgelegt, welche aus einem Abstand von 1 m bis 5 m beobachtet werden können. Dabei wird in der kleinsten Vergrößerung das Objekt unter einem Bildwinkel von ca. 25° beobachtet bzw. aufgenommen. Bildseitig wird ein Lichtleitwert, dem Produkt aus numerischer Apertur und Bildgröße, von 0.575 bis 1.15 erreicht, so dass - in Verbindung mit einer beugungsbegrenzten, apochromatischen Korrektur - die Möglichkeiten moderner, hochauflösender Digitalkameras vorteilhaft ausgeschöpft werden können.
- Bei der Auslegung des Verlaufes der numerischen Apertur über die einzelnen Variostellungen hinweg wurde erfindungsgemäß die Balance zwischen technischem Aufwand und Konstanz der Beleuchtungsstärke in der Bildebene gefunden. Ideal wäre eine konstante bildseitige Apertur von 0.05, weil diese bildseitig zu einem konstanten Auflösungsvermögen führen würde. Die bildseitige Beleuchtungsstärke wäre, eine konstante objektseitige Beleuchtungsstärke vorausgesetzt, unter dieser Bedingung ebenfalls konstant. Dies wäre aber nur mit einem unverhältnismäßig hohen technischen Aufwand erreichbar. Um diesen hohen Aufwand zu vermeiden, ist das erfindungsgemäße System so ausgelegt, dass die objektseitige Erhöhung der numerischen Apertur mit einer Erhöhung der Beleuchtungsapertur einher geht und infolge dessen die Intensität der Objektbeleuchtung zunimmt.
- Auf diese Weise reicht bereits eine bildseitige numerische Apertur von weniger als 0,05 aus, um auch bei zunehmender Vergrößerung die Beleuchtungsstärke konstant zu halten.
- Erfindungsgemäß nimmt die bildseitige numerische Apertur mit der vierten Wurzel des Variofaktors V ab, und mit der Beleuchtung wird nur die Pupille der maximalen Vergrößerung β'm ausgeleuchtet. Dabei nimmt die Beleuchtungsstärke in der Bildebene mit der Quadratwurzel des Variofaktors V ab. So werden der technische Aufwand und die Kosten gering gehalten.
-
- Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
-
1 die Leistungsparameter des erfindungsgemäßen Inspektionssystems anhand der numerischen Aperturen objekt- und bildseitig, -
2 die Beleuchtungsstärke in der Bildebene und den Variofaktor V in Abhängigkeit von verschiedenen Variostellungen, -
3 die Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels, -
4 die Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels, -
1 zeigt die numerischen Aperturen des erfindungsgemäßen Inspektionssystems objekt- und bildseitig in Abhängigkeit vom Abbildungsmaßstab. - Aus
2 sind die Beleuchtungsstärke in der Bildebene und der Variofaktor V in Abhängigkeit von den verschiedenen Variostellungen ersichtlich. - Bei dem in
3 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel sind die Linsengruppen (LG1 bis LG6) mit Konstruktionsdaten nach folgender Tabelle 1 ausgeführt mit der objektseitig beginnenden laufenden Numerierung der optisch wirksamen Flächen der Linsen innerhalb der Linsengruppen, den Radien dieser Flächen, den Abständen zwischen den Flächen, den Brechzahlen und Abbezahlen der verwendeten Linsenmaterialien: Tabelle 1Nr. Radius Abstand Brechzahl e Abbezahl e 1 57.576 2.0 1.7254 34.47 2 37.013 7.0 1.5302 76.58 3 2214.3 0.1 4 74.931 6.5 1.7545 35.1 5 76.45 variabel 6 unendl. variabel 7 -193.73 2.2 1.4879 76.58 8 24.019 5.23 9 -77.997 1.8 1.6203 63.10 10 17.841 4.5 1.7254 34.47 11 65.137 variabel 12 39.228 1.8 1.8063 29.6 13 25.976 7.0 1.4398 94.6 14 -58.156 0.1 15 64.554 3.0 1.4398 94.6 16 -172.37 0.3 17 Blende variabel 18 -33.59 3.2 1.7254 34.47 19 -14.935 1.5 1.6203 63.10 20 74.944 variabel 21 555.55 3.0 1.4398 94.6 22 -32.737 2.0 1.7584 34.47 23 -53.246 71.5 24 35.563 10.28 1.6229 60.08 25 -131.46 7.26 1.8083 46.25 26 34.476 9.2 27 88.532 8.15 1.6229 60.08 28 -199.53 - In diesem Ausführungsbeispiel erfüllt das erfindungsgemäße Inspektionssystem die folgenden Bedingungen:
- Lage der Objektebene: 1 m bis 5 m vor dem Objektiv,
- Lage der Bildebene: 150 mm hinter der sechsten Linsengruppe LG6,
- Fokussierabstand (nach Fläche 5 in Tabelle 1): 7.17 mm bis 22.1 mm,
- Verschiebebereich der zweiten Linsengruppe LG2 (Flächen 7 bis 10 in Tabelle 1): 0 mm bis 55.2 mm,
- Verschiebebereich der vierten Linsengruppe LG4 (Flächen 18 bis 20 in Tabelle 1): 3 mm bis 61.73 mm,
- Abstand der Flächen 6 bis 12: 70.73 mm,
- Abstand der Flächen 17 bis 21: 71.7 mm,
- Bildkreisdurchmesser: 23 mm,
- Reziproke Vergrößerung: -96 bis -6 bei der Entfernung von 5 m zwischen Objektiv und Objektebene,
- bildseitige numerische Apertur bei minimaler Vergrößerung β': 0.05,
- bildseitige numerische Apertur bei maximaler Vergrößerung β': 0.025.
- Bei dem in
4 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel sind die Linsengruppen (LG1 bis LG6) mit Konstruktionsdaten nach folgender Tabelle 2 ausgeführt mit der objektseitig beginnenden laufenden Numerierung der optisch wirksamen Flächen der Linsen innerhalb der Linsengruppen, den Radien dieser Flächen, den Abständen zwischen den Flächen, den Brechzahlen und Abbezahlen der verwendeten Linsenmaterialien: Tabelle 2Nr. Radius Abstand Brechzahl e Abbezahl e 1 105.075 8.50 1.5302 76.58 2 -67.802 3.50 1.6588 39.46 3 -190.197 variabel 4 unendl. variabel 5 116.315 2.50 1.4398 94.6 6 27.980 3.32 7 -35.992 2.00 1.6940 54.48 8 18.836 3.80 1.7254 34.47 9 273.846 variabel 10 29.853 4.90 1.4879 84.07 11 -393.855 0.10 12 87.218 2.50 1.8881 40.52 13 20.982 4.80 1.4879 84.07 14 -183.042 0.10 15 67.313 2.50 1.8881 40.52 16 1451.71 1.00 17 Blende variabel 18 -45.316 3.80 1.7254 34.47 19 -13.143 2.00 1.6808 54.92 20 50.479 variabel 21 133.354 2.5 1.7434 32.0 22 79.34 3.2 1.4398 94.6 23 -114.586 75.00 24 172.777 7.9 1.4879 84.07 25 -43.089 3.5 1.5259 51.26 26 -143.283 - In diesem zweiten Ausführungsbeispiel erfüllt das erfindungsgemäße Inspektionssystem die folgenden Bedingungen:
- Lage der Objektebene: 1 m bis 5 m vor dem Objektiv,
- Lage der Bildebene: 176.39 mm hinter der sechsten Linsengruppe LG6,
- Fokussierabstand (Fläche 3 in Tabelle 2): 4.31 mm bis 26.7 mm,
- Verschiebebereich der zweiten Linsengruppe LG2 (Flächen 5 bis 9 in Tabelle 2): 7.4 mm bis 85.83 mm,
- Verschiebebereich der vierten Linsengruppe LG4 (Flächen 18 bis 20 in Tabelle 2): 3.36 mm bis 47.89 mm,
- Abstand der Flächen 4 bis 10: 99.45 mm,
- Abstand der Flächen 17 bis 21: 57.30 mm,
- Bildkreisdurchmesser: 23 mm,
- Reziproke Vergrößerung: -89 bis -5.56 bei der Entfernung von 5 m zwischen Objektiv und Objektebene,
- bildseitige numerische Apertur bei minimaler Vergrößerung β': 0.05,
- bildseitige numerische Apertur bei maximaler Vergrößerung β': 0.025.
Claims (12)
- Optisches Inspektionssystem, ausgebildet zur Abbildung eines zu inspizierenden Objektes mit veränderlichem Abbildungsmaßstab, umfassend - ein aus fünf Linsengruppen (LG1 bis LG5) bestehendes Variationssystem zur Abbildung des Objektes in einen Unendlichraum, - eine dem Variationssystem nachfolgende Linsengruppe zur Abbildung des Objektes aus dem Unendlichraum in die Bildebene des Inspektionssystems, und - eine Lichtquelle zur Erzeugung von Licht zur Beleuchtung des Objektes, wobei - im Luftraum zwischen der fünften Linsengruppe (LG5) und der nachfolgenden Linsengruppe (LG6) Mittel zur Abbildung des Beleuchtungslichtes in die Austrittspupille des Variationssystems vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass - von den fünf Linsengruppen (LG1 bis LG5), in Abbildungsrichtung betrachtet, die erste, zweite und vierte Linsengruppe (LG1, LG2, LG4) in Richtung der optischen Achse verschiebbar angeordnet sind, die dritte und fünfte Linsengruppe (LG3, LG5) nicht verschiebbar sind.
- Optisches Inspektionssystem nach
Anspruch 1 , bei dem die erste Linsengruppe (LG1) aus einer Zweifachkittgruppe besteht, deren Brennweite positiv ist und zwischen 160 mm und 125 mm liegt und deren freier Durchmesser mindestens 40 mm beträgt, und die Zweifachkittgruppe vorzugsweise aus einer Sammellinse aus Fluorkronglas und einer Zerstreuungslinse aus Kurzflintglas gebildet ist. - Optisches Inspektionssystem nach
Anspruch 2 , bei dem der Zweifachkittgruppe in Abbildungsrichtung ein brechkraftfreier Meniskus nachgeordnet ist, der objektseitig vorzugsweise gewölbt ausgeführt ist. - Optisches Inspektionssystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die zweite Linsengruppe (LG2) eine negative Brennweite zwischen 25,5 mm und 30,5 mm hat und ihr Verschiebeweg entlang der optischen Achse vorzugsweise doppelt so groß ist wie der Betrag ihrer Brennweite.
- Optisches Inspektionssystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die dritte Linsengruppe (LG3) eine positive Brennweite zwischen 43 mm und 44.5 mm hat und aus zwei oder drei sammelnden Linsen gebildet ist, wobei mindestens zwei dieser Linsen aus Fluorkronglas bestehen und diese Linsengruppe (LG3) vorzugsweise achromatisch korrigiert ist.
- Optisches Inspektionssystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die vierte Linsengruppe (LG4) eine negative Brennweite zwischen 37 mm und 44 mm hat, aus einem Zweifachkittglied gebildet ist, welches eine Sammellinse aus Kurzflintglas umfasst, und ihr Verschiebeweg entlang der optischen Achse vorzugsweise dem bis zu 1,35-fachen Betrag ihrer Brennweite entspricht.
- Optisches Inspektionssystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem zwischen der vierten Linsengruppe (LG4) und der fünften Linsengruppe (LG5) eine Öffnungsblende vorgesehen ist.
- Optisches Inspektionssystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die fünfte Linsengruppe (LG5) eine positive Brennweite zwischen 179 mm und 184 mm hat und aus einem Zweifachkittglied gebildet ist, welches eine Sammellinse aus Fluorkronglas und eine Zerstreuungslinse aus Kurzflintglas umfasst.
- Optisches Inspektionssystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die dem Variationssystem nachfolgende Linsengruppe (LG6) als sammelndes, auskorrigiertes, insbesondere achromatisiertes optisches System mit einem Lichtleitwert von 1.15 ausgebildet ist.
- Optisches Inspektionssystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die bildseitige numerische Apertur mit der vierten Wurzel des Variofaktors V, welcher sich aus dem Verhältnis der betrachteten Vergrößerung β' und der kleinsten Vergrößerung β'0 ergibt, abnimmt und mit der Beleuchtung nur die Pupille der maximalen Vergrößerung β'm ausgeleuchtet wird, wobei die Beleuchtungsstärke in der Bildebene mit der Quadratwurzel des Variofaktors V abnimmt.
- Optisches Inspektionssystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die Linsengruppen (LG1 bis LG6) mit Konstruktionsdaten nach folgender Tabelle ausgeführt sind mit der objektseitig beginnenden laufenden Numerierung der optisch wirksamen Flächen der Linsen innerhalb der Linsengruppen, den Radien dieser Flächen in mm, den Abständen zwischen den Flächen in mm, den Brechzahlen und Abbezahlen der verwendeten Linsenmaterialien:
Nr. Radius Abstand Brechzahl e Abbezahl e 1 57.576 2.0 1.7254 34.47 2 37.013 7.0 1.5302 76.58 3 2214.3 0.1 4 74.931 6.5 1.7545 35.1 5 76.45 variabel 6 unendl. variabel 7 -193.73 2.2 1.4879 76.58 8 24.019 5.23 9 -77.997 1.8 1.6203 63.10 10 17.841 4.5 1.7254 34.47 11 65.137 variabel 12 39.228 1.8 1.8063 29.6 13 25.976 7.0 1.4398 94.6 14 -58.156 0.1 15 64.554 3.0 1.4398 94.6 16 -172.37 0.3 17 Blende variabel 18 -33.59 3.2 1.7254 34.47 19 -14.935 1.5 1.6203 63.10 20 74.944 variabel 21 555.55 3.0 1.4398 94.6 22 -32.737 2.0 1.7584 34.47 23 -53.246 71.5 24 35.563 10.28 1.6229 60.08 25 -131.46 7.26 1.8083 46.25 26 34.476 9.2 27 88.532 8.15 1.6229 60.08 28 -199.53 - Optisches Inspektionssystem nach einem der
Ansprüche 1 bis10 , bei dem die Linsengruppen (LG1 bis LG6) mit Konstruktionsdaten nach folgender Tabelle ausgeführt sind mit der objektseitig beginnenden laufenden Numerierung der optisch wirksamen Flächen der Linsen innerhalb der Linsengruppen, den Radien dieser Flächen in mm, den Abständen zwischen den Flächen in mm, den Brechzahlen und Abbezahlen der verwendeten Linsenmaterialien:Nr. Radius Abstand Brechzahl e Abbezahl e 1 105.075 8.50 1.5302 76.58 2 -67.802 3.50 1.6588 39.46 3 -190.197 variabel 4 unendl. variabel 5 116.315 2.50 1.4398 94.6 6 27.980 3.32 7 -35.992 2.00 1.6940 54.48 8 18.836 3.80 1.7254 34.47 9 273.846 variabel 10 29.853 4.90 1.4879 84.07 11 -393.855 0.10 12 87.218 2.50 1.8881 40.52 13 20.982 4.80 1.4879 84.07 14 -183.042 0.10 15 67.313 2.50 1.8881 40.52 16 1451.71 1.00 17 Blende variabel 18 -45.316 3.80 1.7254 34.47 19 -13.143 2.00 1.6808 54.92 20 50.479 variabel 21 133.354 2.5 1.7434 32.0 22 79.34 3.2 1.4398 94.6 23 -114.586 75.00 24 172.777 7.9 1.4879 84.07 25 -43.089 3.5 1.5259 51.26 26 -143.283
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