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HINTERGRUND
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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren einer Markierung an einem transparenten Objekt, insbesondere an einer ophthalmischen Linse, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Detektieren einer Markierung an einem transparenten Objekt, insbesondere an einer ophthalmischen Linse, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 11.
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Stand der Technik
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Ophthalmische Linsen dienen zur Korrektur der Fehlsichtigkeit eines menschlichen Auges. Der Begriff „ophthalmische Linse“ umfasst dabei in erster Linie Brillenlinsen, Kontaktlinsen und Intraokularlinsen. Ophthalmische Linsen und andere transparente Objekte, z.B. Zulieferbauteile wie Linsen für medizinische Geräte oder Implantate aus Glas oder dergleichen, werden bei der Herstellung häufig mit einer oder mehreren dauerhaften Markierungen versehen. Eine Markierung kann beispielsweise Informationen über den Hersteller, eine Chargennummer oder Charakteristika des transparenten Objekts enthalten. Eine Markierung kann der Informationsspeicherung und dem Plagiatschutz dienen. Bei ophthalmische Linsen können z.B. Positionsmarkierungen zur Kennzeichnung von optischen Achsen, Zentrierpunkten oder anderen die Linsenart definierenden Informationen vorgesehen sein, um es beispielsweise bei Gleitsichtlinsen dem Augenoptiker zu ermöglichen, die Gleitsichtlinse mit der richtigen Orientierung in das dafür vorgesehene Brillengestell einzupassen. Derartige Markierungen sollen in der Regel beim bestimmungsgemäßen Gebrauch des markierten Objekts für den Nutzer nicht sichtbar sein. Dementsprechend sind die Markierungen in der Regel relativ klein dimensioniert bzw. so ausgestaltet, dass sie nur unter bestimmten Lichtverhältnissen und/oder nur mit Hilfe besonderer optischer Vorrichtungen zu erkennen sind. Solche Markierungen werden gelegentlich auch als „unsichtbare Markierungen“ („invisible marks“) bezeichnet.
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Wenn es in einer Phase eines Produktionsprozesses erforderlich ist, eine Markierung zu detektieren, werden hierfür in der Regel speziell dafür eingerichtete Verfahren und Vorrichtungen genutzt. Bei einer Klasse von Verfahren und Vorrichtungen zum Detektieren von Markierungen wird mit Hilfe eines Beleuchtungssystems ein Beleuchtungsstrahlbündel erzeugt und auf einen mit der Markierung versehenen Bereich des Objekts gerichtet. Auf der der Lichteintrittsseite abgewandten Seite des Objekts befindet sich ein Retroreflektor mit einer Retroreflexionsfläche. Ein durch das Objekt hindurch transmittiertes Strahlenbündel trifft auf die in Laufrichtung dieses Strahlenbündels hinter dem Objekt angeordnete Retroreflexionsfläche und wird von dieser im Wesentlichen wieder in diejenige Richtung zurück reflektiert, aus der das transmittierte Strahlenbündel eingefallen ist. Das von der Retroreflexionsfläche rückreflektierte Strahlenbündel durchtritt dann wieder den mit der Markierung versehenen Bereich des Objekts, allerdings in umgekehrter Durchstrahlungsrichtung.
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Dadurch wird ein vom Objekt kommendes Ausgangsstrahlenbündel gebildet, welches durch ein Kamerasystem erfasst wird. Mit Hilfe einer Auswertungseinrichtung wird die Bildinformation des Kamerasystems zur Charakterisierung der Markierung ausgewertet.
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Eine nach diesem Prinzip arbeitende Vorrichtung ist aus dem Patent
DE 103 33 426 B4 bekannt. Bei der Vorrichtung ist der Retroreflektor mit einem Antriebsmotor zum Bewegen des Retroreflektors verbunden, so dass sich der Retroreflektor bewegt, während das Kamerasystems innerhalb eines Bilderfassungszeitintervalls Bildinformationen zur Charakterisierung der Markierung erzeugt. Die Kamera des Kamerasystems ist dabei auf das Brillenglas fokussiert, während der Retroreflektor den Hintergrund bildet. Wenn die Retroreflexionsfläche bewegt wird, so wird im Vergleich zu dem in der Patentschrift
DE 103 33 426 B4 genannten Stand der Technik ein homogenerer Hintergrund erzeugt, vor dem sich die zu identifizierenden Markierungen wesentlich deutlicherer und kontrastreicher als im berücksichtigten Stand der Technik abheben sollen.
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AUFGABE UND LÖSUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren von Markierungen an transparenten Objekten bereitzustellen, die das Prinzip der Retroreflexion nutzen und es ermöglichen, auch sehr schwach ausgeprägte Markierungen zuverlässig und mit hoher Präzision zu detektieren.
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Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 11 bereit.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Bei dem Verfahren wird das transmittierte Strahlenbündel während eines Bilderfassungszeitintervalls mittels einer Strahlumlenkeinrichtung auf gegeneinander versetzte Bereiche der Retroreflexionsfläche gelenkt und die Bildinformation von einem oder mehreren während des Bilderfassungszeitintervalls erfassten Bildern wird ausgewertet. Hierzu ist bei der Vorrichtung eine mit einem Antrieb gekoppelte Strahlumlenkeinrichtung vorgesehen, die in einem Strahlweg des transmittierten Strahlbündels angeordnet ist und mittels des Antriebs derart bewegbar ist, dass das transmittierte Strahlbündel während des Bilderfassungszeitintervalls mit Hilfe der Strahlumlenkeinrichtung auf gegeneinander versetzte Bereiche der Retroreflexionsfläche umgelenkt werden kann. Das rückreflektierte Strahlbündel erfährt eine Strahlumlenkung in umgekehrter Richtung.
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Die Markierung kann beispielsweise eine mit bloßem Auge nicht sichtbare Gravur oder lokale Materialveränderung sein, die auf mechanischem Wege, durch Ätzen oder durch lokale Bestrahlung mittels elektromagnetischer Strahlung, z.B. durch Laserbearbeitung, erzeugt wurde. Solche Markierungen werden auch als „invisible marks“ bezeichnet. Die Markierung wirkt im Wesentlichen wie ein Defekt im ansonsten weitgehend defektfreien transparenten Material des Objekts. Die Sichtbarmachung des Defekts im Objekt wird hauptsächlich dadurch erzielt, dass das Licht auf dem Hinweg und dem Rückweg diffus an der Markierung gestreut wird. Bei ausreichend starker lokaler Veränderung des Strahlwegs kann die Rückreflexion verhindert werden. Infolgedessen kommt es zur Verringerung der von der Kamera beobachtbaren Intensität des Ausgangsstrahlbündels an der Position der für die Streuung verantwortlichen Markierung, so dass die Markierung „sichtbar“ wird.
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Bei nicht hinreichend stark ausgeprägten Markierungen kann es sein, dass die lokale Veränderung des Strahlwegs kaum ausreicht, um eine Rückreflexion zu verhindern. Solche Markierungen sind nur sehr schwer zu visualisieren und ergeben einen schwachen Kontrast.
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Um dennoch zu einer zuverlässig auswertbaren Bildinformation zu kommen, wird das transmittierte Strahlbündel mittels einer während der Bildaufnahme bewegten Strahlumlenkeinrichtung auf unterschiedliche Bereiche der Retroreflexionsfläche gelenkt, die in der Regel leicht unterschiedliche Retroreflexionwirkung haben. Dadurch ändern sich die relevanten Kontraste während des Bilderfassungszeitintervalls fortwährend.
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Die im Strahlweg des transmittierten Strahlbündels, also im Strahlweg zwischen dem Objekt und der Retroreflexionsfläche angeordnete Strahlumlenkeinrichtung sorgt für die zeitlich veränderliche Strahlumlenkung. Der Retroreflektor bzw. die Retroreflexionsfläche kann daher während des Bilderfassungszeitintervalls ruhen. Somit ist die Nutzung eines starren Retroreflektors möglich, so dass der konstruktive Aufbau im Bereich des Retroreflektors sehr einfach sein kann.
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Bei manchen Ausführungsformen wird das transmittierte Strahlbündel durch Brechung (Refraktion) an mindestens einer bewegten ebenen Lichtdurchtrittsfläche umgelenkt. Eine hierfür geeignete refraktive Strahlumlenkeinrichtung kann einen für das transmittierte Strahlbündel transparenten Körper mit einer ebenen ersten Lichtdurchtrittsfläche und einer ebenen zweiten Lichtdurchtrittsfläche aufweisen, wobei die Lichtdurchtrittsflächen im Strahlweg des transmittierten Strahlbündels angeordnet sind und mindestens eine der Lichtdurchtrittsflächen während des Bilderfassungszeitintervalls mindestens phasenweise schräg im Strahlweg des transmittierten Strahlbündels steht. Hierdurch ist eine Strahlablenkung durch Brechung zu erzielen.
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Bei machen Ausführungsformen ist der transparente Körper der refraktiven Strahlumlenkeinrichtung eine Keilplatte, bei der die erste Lichtdurchtrittsfläche und die zweite Lichtdurchtrittsfläche in einen Keilwinkel zueinander stehen. Eine der Lichtdurchtrittsflächen kann eine Flächennormale haben, die parallel zur optischen Achse der Vorrichtung ausgerichtet ist, während die andere demgegenüber schräg angestellt ist. Der Keilwinkel kann sehr gering sein, er liegt bei manchen Ausführungsformen zwischen ca. 1° und ca. 10°. Hierdurch ist ein ausreichender Versatz auf der Retroreflexionsfläche zu erreichen, während gleichzeitig eine flache Bauform eingehalten werden kann. Bei Verwendung einer flachen Keilplatte kann der Abstand zwischen Objekt und Retroreflexionsfläche bei Bedarf sehr gering gehalten werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform einer refraktiven Strahlumlenkeinrichtung ist der transparente Körper einer planparallele Platte (Planplatte), wobei eine Flächennormale der planparallelen Platte schräg gegenüber einer optischen Achse der Vorrichtung steht. Eine schräge Planplatte erzeugt im transmittierten Strahlbündel einen Strahlversatz. In Verbindung mit der Bewegung der planparallelen Platte kann die Strahlumlenkung auf gegeneinander versetzte Bereiche der Retroreflexionsfläche erreicht werden.
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Als Alternative zu einer refraktiven Strahlumlenkeinrichtung kann eine reflektive Strahlumlenkeinrichtung vorgesehen sein, bei der das transmittierte Strahlbündel durch Reflexion an mindestens einer bewegten ebenen oder gewölbten Spiegelfläche umgelenkt wird. Dazu kann die Strahlumlenkeinrichtung eine Spiegelanordnung mit mindestens einem Spiegel aufweisen, der eine schräg gegenüber der optischen Achse der Vorrichtung angestellte ebene oder gewölbte Spiegelfläche aufweist.
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Die Bewegung der Strahlumlenkeinrichtung während des Bilderfassungszeitintervalls ist bei bevorzugten Ausführungsformen eine Drehbewegung, wobei die Strahlumlenkeinrichtung mittels eines Antriebs um eine Drehachse gedreht wird. So kann beispielsweise eine rotierende Keilscheibe oder eine rotierende schiefe transparente Planplatte oder ein rotierender Spiegel vorgesehen sein.
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Alternativ oder zusätzlich zu einer Drehbewegung kann auch eine translatorische Bewegung, beispielsweise einer oszillierenden Verschiebung der Strahlumlenkeinrichtung vorgesehen sein. In manchen Fällen ist ein Vibrationsantrieb vorgesehen, um die Strahlumlenkeinrichtung während des Bilderfassungszeitintervalls in eine vibrierende Bewegung zu versetzen.
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Bei einer Ausführungsform werden der mit der Markierung versehene Bereich des Objekts und die Retroreflexionsfläche von der Kamera gleichzeitig mit einer für die Auswertung ausreichenden Auflösung erfasst. In konstruktiver Hinsicht kann das dadurch erreicht werden, dass das Objekt in einer ersten Ebene angeordnet wird und die Retroreflexionsfläche in einer zweiten Ebene angeordnet wird, die im Strahlweg des transmittierten Strahlbündels versetzt zu der ersten Ebene liegt, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene in einem Schärfentiefenbereich des Kamerasystems liegen. Dadurch ist es möglich, dass sowohl die Markierung an oder in dem Objekt als auch deren Schattenbild auf der Retroreflexionsfläche gleichzeitig mit ausreichender Schärfe aufgenommen werden können. Dadurch kann sowohl die Bildinformation, die in der direkten Abbildung der Markierung liegt, als auch die Bildinformation, die im Abbild des auf die Retroreflexionsfläche projizierten Schattens liegt, ausgewertet werden. Beide Bildinformationen liegen im Kamerabild am gleichen Ort vor und überlagern sich. Gerade bei „unsichtbaren“ Markierungen, die nur sehr schwache Streueffekte verursachen, ergeben sich dadurch erhebliche Verbesserungen bei der Detektionssicherheit und bei der Charakterisierung der Markierung.
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Obwohl bei dieser Anordnung auch die Retroreflexionsfläche im Schärfentiefebereich der Kamera liegt, wirkt sich deren Eigenstruktur nicht oder kaum störend auf die Auswertung aus, da aufgrund der Strahlumlenkung auf gegeneinander versetzte Bereiche der Retroreflexionsfolie deren Eigenstruktur in der erfassten Bildinformation stark reduziert bzw. unterdrückt wird. Der resultierende Bildkontrast wird daher überwiegend durch die Struktur der Markierung verursacht.
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Um einen großen Schärfentiefebereich (depth of focus) des Kamerasystems zu erreichen, wird bei manchen Ausführungsformen ein ungewöhnlich langer Arbeitsabstand (Länge des Beobachtungsstrahlengangs, d.h. des Strahlengangs zwischen Retroreflexionsfläche und Kameraobjektiv entlang der optischen Achse der Vorrichtung) realisiert. Bei manchen Ausführungsformen beträgt eine entlang der optischen Achse der Vorrichtung gemessene Länge zwischen dem Kameraobjektiv und der Retroreflexionsfläche mehr als einen Meter, insbesondere zwischen 1 m und 2 m.
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Förderlich für eine große Schärfentiefe ist es weiterhin, wenn das Kameraobjektiv eine relativ große Brennweite hat. Diese beträgt bei bevorzugten Ausführungsformen mehr als 100 mm und kann insbesondere zwischen 100 mm und 200 mm liegen.
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Bei manchen Ausführungsformen werden durch geeignete Kombination von Arbeitsabstand und Brennweite der Kameraoptik Schärfentiefen im Bereich von einem oder mehreren Zentimetern erreicht. Der Schärfentiefebereich kann beispielsweise 15 mm oder mehr betragen und insbesondere zwischen 20 mm und 50 mm liegen. Bei Bedarf kann der Schärfentiefebereich dadurch vergrößert werden, dass die Kameraoptik mit nur teilweise geöffneter Blende betrieben wird.
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In jedem Fall kann durch einen großen Schärfentiefebereich der Kamera zwischen der ersten Ebene, in der bei der Nutzung der Vorrichtung das Objekt liegt, und der zweiten Ebene, in der die Retroreflexionsfläche liegt, ein ausreichend großer Abstand geschaffen werden, um die Strahlumlenkeinrichtung unterzubringen.
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Der Begriff „Kamerasystem“ ist weit zu interpretieren und umfasst alle geeigneten bildgebenden optischen Detektionssysteme, insbesondere solche mit einem ortsauflösenden zweidimensionalen (flächigen) optoelektronischen Wandler.
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Um trotz eines vorteilhaften großen Arbeitsabstandes der Vorrichtung einen kompakten Aufbau zu ermöglichen, ist bei manchen Ausführungsformen in einem Strahlweg des Ausgangsstrahlbündels mindestens ein ebener Faltspiegel zur Faltung bzw. Umlenkung des Strahlengangs angeordnet. Bei manchen Ausführungsformen sind mehrere Faltspiegel vorgesehen, um den Strahlweg mehrfach zu falten. Vorzugsweise sind zwei Faltspiegel vorgesehen, die beispielsweise jeweils in 45° zur optischen Achse angestellt sein können. Hierdurch sind kompakte Baugrößen realisierbar.
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Bei manchen Ausführungsformen weist die Vorrichtung mindestens ein polarisationsveränderndes optisches Element auf. Dabei kann es sich z.B. um einen Polarisator handeln, insbesondere um einen Linarpolarisator, der im Wesentlichen nur für Licht mit einer bestimmten Schwingungsrichtung des elektrischen Feldvektors durchlässig ist. Gegebenenfalls können zwei derartige Polarisatoren vorgesehen sein, wovon einer als Analysator dienen kann. Ein polarisationsveränderndes optisches Element kann auch ein Verzögerungselement sein, also ein Retarder, der gezielt Phasenverschiebungen zwischen Lichtanteilen mit unterschiedlich orientierten Polarisationsrichtungen einführt. Durch den Einsatz polarisationsverändernder optischer Elemente kann in vielen Fällen eine Kontraststeigerung und damit eine Verbesserung der Auswertbarkeit der Bildinformationen erzielt werden.
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Bei manchen Ausführungsformen ist es möglich, mit Hilfe der Strahlumlenkeinrichtung den Polarisationszustand des Lichts zwischen dem Objekt und der Retroreflexionsfläche gezielt zu verändern. Die Strahlumlenkeinrichtung kann hierzu als polarisationsveränderndes optisches Element ausgestaltet sein. Hierzu kann beispielsweise mindestens eine Lichtdurchtrittsfläche einer refraktiven Strahlumlenkeinrichtung oder mindestens eine Spiegelfläche einer reflektierenden Strahlumlenkeinrichtung mit einer polarisationsverändernden Beschichtung belegt sein. Bei einer refraktiven Strahlumlenkeinrichtung ist es auch möglich, den transparenten Körper aus einem doppelbrechenden oder optisch aktiven Material herzustellen, um die Strahlumlenkeinrichtung als Verzögerungselement (Retarder) auszulegen.
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Es ist auch möglich, die Strahlumlenkeinrichtung als optisches Filter auszulegen, um die Strahlung beim doppelten Lichtdurchtritt oder bei doppelter Reflexion zwischen Objekt und Retroreflexionsfläche und zurück hinsichtlich mindestens einer Strahlungseigenschaft so zu verändern, dass eine verbesserte Auswertung der Bildinformationen möglich ist. Die Strahlumlenkeinrichtung kann z.B. als Wellenlängenfilter ausgelegt sein.
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Die Strahlumlenkung kann auf unterschiedliche Weise zur Verbesserung der Detektionseffizienz, insbesondere zur Steigerung des Kontrasts, genutzt werden.
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Bei einer Verfahrensvariante werden während des Bilderfassungszeitintervalls mehrere Bilder erfasst und die Bildinformation der mehreren Bilder wird mit Hilfe geeigneter Bildverarbeitungsalgorithmen gemittelt. Hierdurch können Kontrastschwankungen, die sich aufgrund der inhomogenen der Struktur der Retroreflexionsfläche ergeben, erheblich reduziert werden, so dass auch ein schwacher, von der Markierung verursachter Kontrast sicher detektierbar wird.
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Bei einer anderen Variante wird mit Hilfe geeigneter Bildverarbeitungsalgorithmen aus mehreren Bildern, welche mit einem zeitlichen Versatz generiert wurden, das Bild mit dem jeweils stärksten Kontrast der Markierung selektiert und der weiteren Auswertung zugrunde gelegt (Auswahlverfahren). Durch diesen Informationsgewinn kann die Zuverlässigkeit der Detektion der Markierung erheblich verbessert werden.
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Bei diesen beiden Varianten werden somit mehrere während des Bilderfassungszeitintervalls erfasste Bilder gemeinsam ausgewertet.
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Es ist auch möglich, die Belichtungszeit bei einer einzigen Bildaufnahme so groß zu wählen, dass während der Bildaufnahme unterschiedliche Positionen der Retroreflexionsfläche zur Bildentstehung des Hintergrunds beitragen, so dass sich ein Verwaschungseffekt ergibt, der das von der Markierung verursachte Nutzsignal vor einen verwaschenen Hintergrund stärker hervortreten lässt.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet und vorzugsweise auch entsprechend konfiguriert ist.
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Die vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Dabei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte Ausführungsformen darstellen. Bevorzugte Ausführungsformen werden an Hand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Detektieren von Markierungen, die mit einer drehbaren Keilscheibe ausgestattet ist;
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines mit Hilfe von zwei Faltspiegeln zweifach gefalteten Beobachtungsstrahlengangs;
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung zum Drehen einer transparenten Strahlumlenkeinrichtung um die optische Achse der Vorrichtung;
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4 zeigt eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Detektieren von Markierungen, welche mit einer drehbaren, schräg gestellten Planplatte als Strahlumlenkeinrichtung ausgestattet ist;
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Detektieren von Markierungen, welche mit einer reflektiven Strahlumlenkeinrichtung ausgestattet ist;
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6 zeigt eine Variante der Ausführungsform von 4 mit Einrichtungen zur Beeinflussung des Polaristionszustandes des genutzten Lichts, und
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7 zeigt anhand von Vergleichsbildern die kontraststeigernde Wirkung einer Verfahrensvariante.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer optischen Vorrichtung 100 zum Detektieren von Markierungen an oder in einem transparenten Objekt 150. Das Objekt ist im Beispielsfall eine ophthalmische Linse aus Glas oder Kunststoff zum Einbau in ein Brillengestell, also eine Brillenlinse. Die ophthalmische Linse wird im Folgenden auch schlicht als „Linse“ bezeichnet. Am oder im transparenten Körper des Objekts ist mittels mechanischer Gravur oder mittels Laserbearbeitung eine mit bloßem Auge kaum sichtbare Markierung 155 eingebracht, die im Fertigungsprozess und beim Einbau des Objekts in ein Brillengestell u.a. als Positionsmarkierung dienen kann.
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Die Vorrichtung hat eine Aufnahmeeinrichtung 110 zur Aufnahme des Objekts in einer ersten Ebene 112. Die Aufnahmeeinrichtung wird im Wesentlichen durch eine Platte mit einer runden Durchgangsöffnung gebildet, deren Innendurchmesser etwas kleiner ist als der Außendurchmesser des aufzunehmenden Objekts. Wenn das Objekt mit seinem Randbereich auf die Aufnahmeeinrichtung aufgelegt wird, liegt der optisch genutzte Bereich über der Durchgangsöffnung und kann durchstrahlt werden.
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Unterhalb der Aufnahmeeinrichtung ist ein Retroreflektor 120 mit einer ebenen Retroreflexionsfläche 122 angebracht, die in einer zweiten Ebene 124 liegt, welche in einem Abstand dOR unterhalb der ersten Ebene 112 und parallel zu dieser liegt. Mit Hilfe einer Abstandsverstelleinrichtung 125 kann der Retroreflektor stufenlos angehoben und abgesenkt werden, so dass der Abstand zwischen dem Objekt und der Retroreflexionsfläche stufenlos eingestellt werden kann.
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Der Begriff „Retroreflexionsfläche“ steht in dieser Anmeldung für eine retroreflektierende Oberfläche, die derart ausgestaltet ist, dass einfallende Lichtstrahlen über einen großen Bereich von Inzidenzwinkeln (Einfallswinkeln) im Wesentlichen wieder in die Richtung rückreflektiert werden, aus der sie auf die Retroreflexionsfläche eingefallen sind. Im Beispielsfall weist die Retroreflexionsfläche eine regelmäßige Anordnung relativ kleiner Tripelspiegel auf, die im Wesentlichen lückenlos (flächenfüllend) nebeneinander angeordnet sind und typische laterale Dimensionen im Bereich zwischen 50 μm und 100 μm haben. Anstelle regelmäßig angeordneter Tripelspiegel können auch regelmäßig angeordnete verspiegelte Tripelprismen oder dicht nebeneinander angeordnete transparente Glas- oder Kunststoffkügelchen entsprechender Dimensionen vorgesehen sein. Zur Herstellung des Retroreflektors kann beispielsweise eine mit retroreflektierenden Elementen versehene Retroreflexionsfolie auf eine ebene oder gekrümmte Trägerfläche des Retroreflektors aufgeklebt werden.
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Die Vorrichtung hat ein Beleuchtungssystem 130 zur Erzeugung eines divergenten Beleuchtungsstrahlbündels 132, das auf einen mit der Markierung versehenen Bereich des Objekts gerichtet ist. Das Beleuchtungsstrahlbündel kann ggf. auch kollimiert sein. Der von der Lichtquelle 135 zur Retroreflexionsfläche führende Beleuchtungsstrahlengang wird mit Hilfe eines teildurchlässigen Spiegels 142 einer Einkoppeleinrichtung 140 um 90° derart gefaltet, dass das Beleuchtungsstrahlbündel koaxial zur optischen Achse 105 der Vorrichtung auf das Objekt fällt (koaxiale Beleuchtung).
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Bei der Lichtquelle kann es sich z.B. um eine spektral breitbandig abstrahlende Weisslichtquelle handeln, die Licht aus dem sichtbaren Wellenlängenbereich abstrahlt. Auch Lichtquellen mit engerem Emissionsspektrum, ggf. außerhalb des sichtbaren Bereichs (z.B. UV-Lichtquellen oder IR-Lichtquellen, sind möglich.
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Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin ein Kamerasystem 150 mit einer Kamera 152 und einer vorgeschalteten Kameraoptik 154, deren optische Achse die optische Achse 105 der Vorrichtung 100 definiert. Das Kamerasystem dient zur Erzeugung von Bildinformation, die zur Charakterisierung der Markierung auswertbar ist. Die Kameraoptik 154 hat eine Brennweite von 150 mm. Die Kamera 152 ist mit einem CCD-Chip oder CMOS-Chip oder einem anderen zweidimensionalen optoelektronischen Sensor ausgestattet, um die von der Kameraoptik erzeugte Information in elektrische Signale (Videosignale) umzuwandeln. Diese werden einer angeschlossenen Auswerteeinrichtung 160 zugeleitet. Die Auswerteeinrichtung arbeitet mit Bildverarbeitungssoftware zur Auswertung der Bildinformationen des Kamerasystems. Dadurch ist es möglich, die vom Kamerasystem erfasste bzw. erzeugte Bildinformation automatisch zur Charakterisierung der Markierung zu verarbeiten.
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Bei einfachen Varianten ist es möglich, auf eine angeschlossene automatische Auswerteeinrichtung zu verzichten und die Auswertung der Bildinformation zeitnah oder zeitlich versetzt visuell, z.B. an einem Bildschirm, durch einen Bediener oder eine andere Person vorzunehmen
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Das Kamerasystem ist in einem relativ großen Arbeitsabstand von ca. 1.5 m zu dem zu erfassenden Objekt bzw. zur ersten Ebene 112 angeordnet. Wie in 2 gezeigt, ist der Strahlengang zwischen der Einkoppeleinrichtung 140 und dem Kamerasystem 150 zweifach um jeweils 90° gefaltet. Hierzu sind zwei um jeweils 45° gegenüber der optischen Achse geneigte ebene Faltspiegel 156, 158 vorgesehen, die im Strahlengang zwischen Kamerasystem und Einkoppeloptik U-förmig falten. Dadurch ist es möglich, trotz des relativ großen Arbeitsabstandes eine kompakte Bauform des Beobachtungsstrahlengangs zu erreichen, der von der Retroreflexionsfläche zum Kamerasystem führt.
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Durch den relativ großen Arbeitsabstand in Kombination mit der relativ großen Brennweite der Kameraoptik hat das Kamerasystem einen relativ großen Schärfentiefenbereich DOF (depth of focus) von ca. 35 mm. Der Schärfentiefebereich liegt so, dass sowohl die erste Ebene 112 mit dem Objekt 150 und der darin enthaltenen Markierung 155, als auch die zweite Ebene 124 mit der Retroreflexionsfläche im Schärfentiefebereich des Kamerasystems liegt. In dem Kamerabild können somit sowohl die Markierung 155 als auch deren Schattenbild auf der Retroreflexionsfläche und auch die Struktur der Retroreflexionsfläche mit hinreichender Schärfe erscheinen.
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Im Bereich zwischen der ersten Ebene 112 und der zweiten Ebene 124, d.h. optisch zwischen dem zu charakterisierenden Objekt 150 und der Retroreflexionsfläche 122, ist eine refraktive Strahlumlenkeinrichtung 180 in Form einer relativ flachen Keilplatte angeordnet. Die Keilplatte hat eine der ersten Ebene 112 bzw. dem Objekt zugewandte ebene erste Lichtdurchtrittsfläche 182, die senkrecht zur optischen Achse 105 verläuft, sowie eine der Retroreflexionsfläche bzw. der zweiten Ebene zugewandte, ebene zweite Lichtdurchtrittsfläche 184, die mit der ersten Lichtdurchtrittsfläche einen Keilwinkel von ca. 4° einschließt. Die beiden Lichtdurchtrittsflächen sind jeweils mit einer für die Wellenlänge des Lichts reflexmindernd wirkenden Antireflexbeschichtung beschichtet, um Reflektionsverluste weitgehend zu vermeiden.
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Die Strahlumlenkeinrichtung bzw. die Keilplatte 180 ist um eine koaxial zur optischen Achse der Vorrichtung verlaufende Drehachse drehbar gelagert. Wie in 3 besser zu erkennen, wird die in Querschnitt kreisrunde Keilplatte bzw. Keilscheibe 180 in einer ringförmigen Fassung 186 gehalten, die ein innen liegendes Kugellager aufweist, so dass die Keilscheibe leicht drehbar ist. Das Außenprofil der Fassung ist mit einer Nut versehen, in die ein Zahnriemen 187 eingreift. Ein Antrieb 185 zur Drehung der Keilplatte hat ein Elektromotor, der ein Antriebsrad 188 antreibt, welches ein Außenprofil mit einer Nut zur Aufnahme des Zahnriemens 187 hat. Die Drehzahl des Antriebsmotors ist stufenlos einstellbar.
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Die Lichtquelle, das Kamerasystem und die Auswerteeinrichtung sowie der Antrieb für die Strahlumlenkeinrichtung sind an eine aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Steuerung der Vorrichtung 100 angeschlossen, so dass ein koordinierter Betrieb zwischen Bildaufnahme und Drehung der Keilplatte möglich ist.
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Mit Hilfe der Vorrichtung 100 ist folgendes Verfahren zum Detektieren von Markierungen Brillenlinsen und anderen transparenten Objekten möglich. Mit Hilfe des Beleuchtungssystems 130 wird ein Beleuchtungsstrahlbündel 132 erzeugt, welches nach Umlenkung mit Hilfe des teildurchlässigen Spiegels 142 auf dem mit einer Markierung versehenen Bereich des Objekts gerichtet ist. Die Strahlung durchtritt das transparente Objekt 150 und bildet ein transmittiertes Strahlbündel 134, welches nach Durchtritt durch die Keilplatte 180 auf die Retroreflexionsfläche 122 trifft und von dort gegen der lokalen Einfallsrichtung rückreflektiert wird. Das von der Retroreflexionsfläche rückreflektierte Strahlbündel 136 durchtritt erneut zunächst die Keilplatte 180 und dann den mit der Markierung versehenen Bereich des Objekts. Das danach vom Objekt abgehende Ausgangsstrahlbündel 138 wird nach Durchtritt durch die Einkoppeleinrichtung 140 vom Kamerasystem erfasst.
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Der mit der Markierung versehene Bereich des Objekts wird bei diesem Verfahren in einer Kombination aus Auflicht und Durchlicht beleuchtet. Dabei passiert das Licht das Objekt auf dem Hinweg, trifft anschließend auf die Retroreflexionsfläche und wird aufgrund der Retroreflektorwirkung im Wesentlichen parallel zum jeweils punktuell vorherrschenden Einfallswinkel zurückreflektiert. Die beim erstmaligen Durchdringen des Lichts entstandene optische Wirkung des Objekts wird beim zweiten Durchdringen des Objekts eliminiert. Dies ermöglicht eine für die Detektionsautomatisierung gewünschte homogene Ausleuchtung der Szene.
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Das durch das Objekt hindurch tretende Licht wird sowohl auf dem Hinweg zum Retroreflektor als auch auf dem Rückweg an den Strukturen der Markierung 155 diffus gestreut. Als Folge davon kommt es zu einer Verringerung der Intensität an der Position der für die Streuung verantwortlichen Strukturen, so dass die Markierung „sichtbar“ wird. Dadurch, dass auf den Hinweg Licht an der Markierung gestreut wird, geht die Intensität an diesen Stellen zurück und es bildet sich auf der Etroreflexionsfläche 122 ein Schattenbild 159 der Markierung. Um vor allem bei sehr schwach ausgeprägten Markierungen einen besseren Kontrast zu erzielen, wird die Retroreflexionsfläche mit Hilfe der Abstandsverstelleinrichtung 125 in einen Bereich verschoben, in dem das Schattenbild relativ scharf auf der Retroreflexionsfolie erscheint. Da die Retroreflexionsfläche im Schärfentiefebereich des Kamerasystems liegt, erscheint ein relativ scharfes Abbild des Schattens im Kamerabild. Der Bereich bester Schärfe des Schattens, d.h. der schärfste Punkt des Schattens, ist abhängig von der optischen Wirkung der Linse. Mit Hilfe der Abstandsverstelleinrichtung 125 ist es auf einfache Weise möglich, die Retroreflexionsfläche in Abhängigkeit von der optischen Wirkung der Linse so zu positionieren, dass ein relativ scharfes Schattenabbild entsteht. Diese Positionsverstellung ist ohne Einbußen bei der Detektionsgenauigkeit für das Schattenabbild möglich, da das Kamerasystem einen großen Schärfetiefenbereich DOF besitzt, der auch unterschiedliche Positionen der Retroreflexionsfläche entlang der optischen Achse 105 einschließt. Somit ist es möglich, Schattenabbilder der Markierung auf der Retroreflexionsfläche mit Hilfe des Kamerasystems scharf zu erfassen.
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Da der Schärfentiefebereich DOF des Kamerasystems auch den Bereich der Markierung 155 im Objekt 150 erfasst, enthält das Kamerabild gleichzeitig auch ein direktes Bild der Markierung. Das direkte Bild der Markierung und das Bild des relativ scharfen Schattenabbilds der gleichen Markierung auf der Retroreflexionsfläche liegen im Kamerabild an der gleichen Position und überlagern sich. Hierdurch ist im Vergleich zu einer scharfen Abbildung lediglich der Markierung ein verbesserter Kontrast erzielbar, wodurch die Detektionseffizienz verbessert wird.
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Hierbei kann sich jedoch die Eigenstruktur der Retroreflexionsfläche störend auswirken, da die Retroreflexionsfläche ebenfalls im Schärfetiefenbereich der Kamera liegt und somit relativ scharf abgebildet wird. Gerade bei relativ schwach ausgeprägten Markierungen kann der durch die Struktur der Retroreflexionsfläche erzeugte Kontrast so stark sein, dass sich das Schattenabbild kaum von der Eigenstruktur abhebt.
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Abhilfe schafft hier die im Strahlengang des transmittierten und des rückreflektierten Strahlbündels angeordnete, bewegte Strahlumlenkeinrichtung 180, die in der Weise wirkt, dass das transmittierte Strahlbündel während eines Bilderfassungszeitintervalls sukzessive auf gegeneinander versetzte Bereiche der Retroreflexionsfläche 122 umgelenkt wird und die Bildinformation von mehreren während des Bilderfassungszeitintervalls erfassten Bildern gemeinsam ausgewertet wird. Die bewegte Strahlumlenkeinrichtung wirkt hier als zusätzliche Optik, welche die entstehenden Schattenbilder zu unterschiedlichen Zeitpunkten an unterschiedliche Positionen auf der Retroreflexionsfläche umlenkt. Durch die Rotation der Keilscheibe werden also die Schattenbilder der Markierungen über die starr stehende Retroreflexionsfläche verschoben, wodurch sich die relevanten Kontraste fortwährend ändern.
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Die rotierende Keilplatte sorgt dabei dafür, dass alle Strahlen des transmittierten Strahlbündels in gleicher Weise durch Brechung vor allem an der schräg zur optischen Achse verlaufenden zweiten Lichtdurchtrittsfläche 184 umgelenkt werden. Eine Änderung der relativen Strahlwinkelverteilung innerhalb des transmittierten Strahlbündels erfolgt praktisch nicht. Die ebene zweite Lichtdurchtrittsfläche 184 steht bei dieser Anordnung ständig schräg im Strahlengang, wobei sich jedoch die Drehorientierung der Schrägstellung aufgrund der Rotation der Keilplatte kontinuierlich ändert. Dadurch bewegt sich der Schatten 159 der Markierung 155 im Wesentlichen auf einer elliptischen Bahn über die Retroreflexionsfläche 122. Die bewegte Strahlumlenkeinrichtung wirkt somit als Vorrichtung zur Translation der Schattenabbildung der Markierung auf der Retroreflexionsfläche.
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Basierend auf der mit diesen Verfahrensschritten erhältlichen Bildinformation sind unterschiedliche automatisiert durchführbare Auswertungsmethoden möglich.
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Bei einer Variante wird mit Hilfe geeigneter Bildverarbeitungsalgorithmen aus mehreren während des Bilderfassungszeitintervalls erfassten Bildern, die jeweils mit einem zeitlichen Versatz generiert wurden, dasjenige Bild mit dem stärksten Kontrast des Schattenabbilds ausgewählt bzw. selektiert. Nur das ausgewählte Bild wird in der Folge zur Charakterisierung der Markierung weiter ausgewertet. Durch diesen Informationsgewinn kann die Zuverlässigkeit der Detektion der Positioniermarken erheblich verbessert werden.
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Bei einer anderen Variante werden während eines Bilderfassungszeitintervalls zeitlich versetzt mehrere Bilder aufgenommen, deren Bildinformationen zunächst summiert werden, um ein Summenbild zu erhalten. Dieses Summenbild wird dann weiter ausgewertet. Da bei diesem Szenario die Struktur der Retroreflexionsfläche in jedem der Bilder aufgrund der Strahlumlenkung anders ist als bei den anderen Bildern, während die Intensitätsverteilung im Schattenbild der Gravur in allen Bildern im Wesentlichen die gleiche ist, ergibt sich bei der Summation für den Anteil des Kontrastes, der auf die Struktur der Retroreflexionsfläche zurückgeht, eine Vergleichmäßigung bzw. Kontrastreduzierung, während der auf das Schattenbild der Markierung zurückgehende Kontrast demgegenüber angehoben wird. Der Bildanteil, der auf die Struktur der Retroreflexionsfläche zurückgeht, wird dadurch im Wesentlichen verwaschen erscheinen, während der auf die Markierung bzw. deren Schatten zurückgehende Bildanteil scharf hervortritt (vgl. 7)
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In 4 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung 400 zur Detektion von Markierungen in transparenten Objekten dargestellt. Die Vorrichtung 400 unterscheidet sich von der Vorrichtung 100 der 1 bis 3 lediglich durch eine andere Strahlumlenkeinrichtung. Die übrigen Komponenten der Vorrichtung entsprechen denjenigen der ersten Ausführungsform, weshalb für diese Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Für die Beschreibung von Aufbau und Funktion dieser Komponenten wird auf die Beschreibung im Zusammenhang mit 1 bis 3 verwiesen.
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Die Strahlumlenkeinrichtung dieser Ausführungsform hat anstelle der Keilplatte eine transparente planparallele Platte 480. Der Körper der Planplatte, der beispielsweise aus Glas bestehen kann, bildet eine dem Objekt zugewandte erste Lichtdurchtrittsfläche 482 und eine der Retroreflexionsfläche zugewandte zweite Lichtdurchtrittsfläche 484, die parallel zueinander und senkrecht zur Flächennormalen 486 der Planplatte orientiert sind. Die Flächennormale ist gegenüber der optischen Achse der Vorrichtung schräg gestellt und schließt mit dieser einen Winkel von 2° bis 20° ein. Die Plattendicke kann z.B. zwischen 5 mm und 10 mm liegen. Bei einer Ausführungsform wird mit einer 7 mm dicken Platte, die um ca. 6° schräg gestellt ist, ein ausreichender Versatz bzw. eine ausreichende Verschiebung der Markierungsbilder auf der Retroreflexionsfläche erreicht. Die beiden Lichtdurchtrittsflächen sind jeweils mit einer für die Wellenlänge des Lichts reflexmindernd wirkenden Antireflexbeschichtung beschichtet, um Reflektionsverluste weitgehend zu vermeiden.
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Die schräggestellte Planplatte wird durch eine ringförmige Fassung 486 gehalten, die analog wie bei der Ausführungsform von 1 bis 3 mit Hilfe eines Elektromotors so gedreht werden kann, dass sich die Planplatte während des Bilderfassungszeitintervalls um eine koaxial zur optischen Axialen 105 liegenden Drehachse dreht. Dadurch beschreibt die schräge Planplatte während der Rotation eine Taumelbewegung. Die Schrägstellung der Planplatte bewirkt einen Strahlversatz zwischen Eintrittsseite und Austrittsseite, wobei der Strahlversatz in der Ebene liegt, die durch die Rotationsachse und die Flächennormale aufgespannt wird. Dadurch bewegen sich die Schattenabbilder der Markierung bei Rotation der schrägen Planplatte auf Kreisbögen um die Rotationsachse und liegen zu unterschiedlichen Zeitpunkten dementsprechend an unterschiedlichen Positionen der Retroreflexionsfläche.
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Sowohl bei der Variante mit Keilscheibe (1) als auch bei der Variante mit schräggestellter Planplatte (4) kann die Strahlumlenkeinrichtung eine relativ flache Bauform haben, so dass der Abstand zwischen Aufnahmeeinrichtung 110 und Retroreflexionsfläche 122 relativ gering sein kann. Solche Systeme können ggf. auch dann genutzt werden, wenn das Kamerasystem einen relativ kleinen Schärfetiefenbereich hat. Hierdurch können unter Umständen Komponenten im Beobachtungsstrahlengang entfallen und/oder einfache Kamerasysteme benutzt werden.
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Die Strahlumlenkeinrichtung kann auch eine Prismenanordnung mit einem oder mehreren Prismen aufweisen. Beispielsweise kann ein Dove-Prisma als Strahlumlenkeinrichtung vorgesehen sein. Prismen oder Kombinationen von Prismen ermöglichen eine individuelle, bedarfsweise sehr genaue Anpassung an spezielle Erfordernisse, z.B. bei im Vergleich zu Brillengläsern komplizierten ophthalmischen Linsen oder bei der Erkennung von Markierungen in komplexen Linsensystemen.
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Alternativ zu refraktiven Strahlumlenkeinrichtungen sind auch reflektive Strahlumlenkeinrichtungen mit einem oder mehreren beweglichen Spiegeln möglich. Eine Ausführungsform einer Vorrichtung 500 mit reflektiver Strahlumlenkeinrichtung ist in 5 gezeigt. Auch hier sind sowohl die Aufnahmeeinrichtung 110 als auch alle oberhalb der Aufnahmeeinrichtung angeordneten Komponenten des Beleuchtungssystems 130 und des Kamerasystems 150 ähnlich oder gleich wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen, weshalb die gleichen Bezugszeichen verwendet werden und auf die entsprechende Beschreibung verwiesen wird.
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Im Unterschied zu den dortigen Ausführungsformen liegt die ebene Retroreflexionsfläche 522 des Retroreflektor 520 nicht parallel zur ersten Ebene 112, die durch die Aufnahmeeinrichtung definiert ist, sondern senkrecht zu dieser, so dass die zweite Ebene 524 einen Winkel (hier 90°) mit der ersten Ebene 112 einschließt. Die Strahlumlenkeinrichtung wird durch einen Planspiegel 580 gebildet, dessen ebene Spiegelfläche 582 eine Flächennormale 589 hat, die schräg gegenüber der optischen Achse 105 angestellt ist. Der Planspiegel ist mit Hilfe eines Drehantriebs 585 um eine Drehachse 588 drehbar, die nicht mit der Flächennormalen 589 zusammenfällt, sondern um wenige Grade gegenüber der Flächennormalen gekippt ist. Dadurch führt die Spiegelfläche bei Drehung des Spiegels um die Rotationsachse eine Taumelbewegung bzw. Präzessionsbewegung aus. Das transmittierte Strahlbündel wird dadurch mit Hilfe des drehenden Planspiegels sukzessive auf unterschiedliche Bereiche der starr montierten Retroreflexionsfläche umgelenkt. Die Auswertung der Bildinformationen kann auf die gleiche Weise erfolgen wie bei den anderen Ausführungsformen.
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Auch hier ist der Schärfetiefenbereich des Kamerasystems so groß, dass sowohl die erste Ebene 112 als auch die zweite Ebene 524 im Schärfetiefenbereich liegen, wobei hier jedoch der Strahlengang zwischen den Ebenen durch den Planspiegel gefaltet wird.
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Bei der Verwendung eines Spiegels mit geringer Masse und schräg gestellter Drehachse sind im Vergleich zu refraktiven Strahlumlenkeinrichtungen ggf. nur sehr geringe Antriebskräfte nötig, wodurch insbesondere bei häufigem Start-Stop-Betrieb der Vorrichtung elektrische Energie eingespart werden kann.
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Es sind auch refraktiv/reflektive Strahlumlenkeinrichtungen möglich, die sowohl mindestens eine refraktive als auch mindestens eine reflektive Komponente enthalten.
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Bei Bedarf ist es möglich, im Rahmen von den Ausführungsformen der Erfindung auf Prinzipien aus dem Bereich der Polarisationsmikroskopie zurückzugreifen, um die Detektionseffizienz zu steigern und/oder auf andere Weise nur schwer detektierbare Markierungen zu detektieren. 6 zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel einer optischen Vorrichtung 600 zum Detektieren von Markierungen, bei der wesentliche Komponenten des Grundaufbaus mit denjenigen der Ausführungsform von 4 übereinstimmen. Entsprechende Baugruppen und Komponenten tragen daher die gleichen Bezugszeichen wie bei der Vorrichtung aus 4 und es wird insoweit auf die dortige Beschreibung verwiesen.
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Bei der Ausführungsform von 6 und Varianten davon sind zusätzliche und/oder modifizierte Komponenten vorgesehen, um eine polarisationsoptisch optimierte Detektion zu ermöglichen.
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In dem vom Licht einfach durchlaufenden Abschnitt des Beobachtungsstrahlengangs zwischen dem teildurchlässigen Spiegel 142 und dem Kamerasystem 150 ist ein erster Polarisator 610 angeordnet, der als Polarisationsfilter dazu ausgelegt ist, nur Licht durchlassen, das in einer bestimmten Schwingungsebene schwingt, wobei diese Schwingungsrichtung parallel zum Polarisator orientiert ist. Der erste Polarisator hat hier die Funktion eines Analysators. Der erste Polarisator ist um die optische Achse 105 drehbar, wobei die Drehung über eine Polarisationssteuereinrichtung 650 gesteuert werden kann.
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Wird nun das Licht so aufbereitet bzw. im Strahlengang polarisationsoptisch so beeinflusst, dass das Objekt 150 zumindest im zweiten Strahldurchtritt (von der Seite des Retroreflektors 120 in Richtung Kamerasystem 150) im Wesentlichen mit linear polarisierten Licht durchstrahlt wird, so kann der erste Polarisator so orientiert werden, dass die Schwingungsrichtung des linear polarisierten Lichts so orientiert ist, dass es vom Analysator (erster Polarisator 610) blockiert wird. Bei einem polarisationsoptisch vollständig neutralen Objekt würde also kein oder nur wenig Licht in das Kamerasystem 150 gelangen. In der Regel bewirkt jedoch die an und/oder im Objekt 150 angebrachte Markierung 155 eine lokale Änderungen der polarisationsoptischen Eigenschaften des transparenten Materials des Objekts, so dass der Polarisationszustand desjenigen Anteils des Lichts, der durch den Bereich der Markierung 155 tritt, derart verändert wird, dass dieser Anteil des Lichts nach Durchtritt durch das Objekt nicht mehr vollständig linear polarisiert ist. Beispielsweise können beim Erzeugen der Markierung im Material des Objekts lokal mechanische Spannungen erzeugt werden, die zu Spannungsdoppelbrechung führen, welche dann polarisationsoptisch detektierbar ist. Dementsprechend kann ein Anteil dieses Lichts durch den Analysator (erster Polarisator 610) hindurch in das Kamerasystem 150 gelangen, so dass ein polarisationsoptisch beeinflusstes Bild entsteht, in welchem die Markierung 155 gegenüber der ungestörten Umgebung hervortritt.
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Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, das Licht so zu beeinflussen, dass das von unten in Richtung des Kamerasystems durch das Objekt 150 hindurchtretende Licht im Wesentlichen linear polarisiert ist.
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Bei einer Ausführungsform wird eine Lichtquelle gewählt, die bereits linear polarisiertes Licht bereitstellt, z.B. eine entsprechende Laserlichtquelle.
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Bei einer Variante der in 6 gezeigten optischen Vorrichtung erzeugt die Lichtquelle 135 unpolarisiertes Licht. Im einfachen Strahlengang zwischen Lichtquelle 135 und dem teildurchlässigen Spiegel 142 ist ein zweiter Polarisator 620 angeordnet, der ebenfalls als linear polarisierender Polarisationsfilter ausgelegt ist und mittels Steuerung durch die Polarisationssteuereinrichtung 650 um die optische Achse drehbar ist. Die relativen Drehstellungen der beiden Polarisatoren 610, 620 können dabei so zueinander eingestellt werden, dass das Prinzip der „gekreuzten Polarisatoren“ genutzt wird. Um einen eventuellen polarisationsaufspaltenden Effekt des teildurchlässigen Spiegels 142 gering zu halten, kann die Anordnung beispielsweise so betrieben werden, dass das vom zweiten Polarisator 620 in Richtung des teildurchlässigen Spiegels 142 gelangende Licht senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist (s-Polarisation), so dass ein möglichst großer Anteil reflektiert wird.
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Es wäre auch möglich, einen zweiten Linearpolarisator im Bereich zwischen der ersten und der zweiten Ebene, also zwischen dem zu untersuchenden Objekt und der Retroreflexionsfläche anzubringen, z.B. zwischen der Strahlumlenkeinrichtung und der Retroreflexionsfläche. Dieser kann fest installiert sein und würde zweifach in entgegengesetzten Richtungen durchstrahlt.
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Diese Möglichkeiten können auch bei konventionellen Vorrichtungen mit Retroreflektor vorgesehen sein, beispielsweise bei der Vorrichtung des Patents
DE 103 33 426 B4 .
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Es ist auch möglich, mit Hilfe der Strahlumlenkeinrichtung 680 den Polarisationszustand des Lichts zwischen dem Objekt und der Retroreflektionsfläche 122 gezielt zu verändern, indem die Strahlumlenkeinrichtung als polarisationsveränderndes Element ausgelegt wird.
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Beispielsweise kann die Planplatte der Strahlumlenkeinrichtung 680 als Linearpolarisator ausgelegt sein oder eine linear polarisierende Beschichtung tragen. Dadurch kann das von einer unpolarisierten Lichtquelle stammende Licht mit Hilfe der Strahlumlenkeinrichtung linear polarisiert werden. Da sich aufgrund der Drehung der Strahlumlenkeinrichtung die Polarisationsrichtung des dadurch erzeugten linear polarisierten Lichts im Laufe der Zeit ändert, wird vorzugsweise auch die Drehstellung des ersten Polarisators 610 (Analysator) synchron verändert, um unabhängig von der Drehstellung der Strahlumlenkeinrichtung vergleichbarer Abbildungsbedingungen zu erhalten.
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Es ist auch möglich, die Strahlumlenkeinrichtung als optischen Retarder bzw. als Verzögerungselement auszulegen, um gezielt Phasenverschiebungen zwischen verschieden polarisierten Anteilen des durchtretenden Lichts zu erzeugen. Im dargestellten Beispielsfall ist an der der Retroreflektionsfläche 122 zugewandten Seite der Planplatte 682 ein flaches Verzögerungselement 690 in Form einer dünnen Platte oder einer Beschichtung oder Folie mit der Wirkung einer λ/4-Platte (Lambda-Viertel-Platte) angebracht. Die der ersten Lichtdurchtrittsfläche 682 gegenüberliegende zweite Lichtdurchtrittsfläche 684 wir durch die freie Oberfläche des Verzögerungselements 690 gebildet, das mit der Planplatte 682 eine Baueinheit bildet. Dieser Anordnung wird nun von der Objektseite her mit linear polarisiertem Licht durchstrahlt, dessen Polarisationsvorzugsrichtung in Bezug auf die Achse des Verzögerungselementes geeignet ausgerichtet ist, so dass das eintretende linear polarisierte Licht in zirkular polarisiertes Licht ungewandelt wird, welches auf die Retroreflexionsfläche 122 trifft. Nach Rückflexion und erneutem Durchtritt durch das Verzögerungselement 690 liegt dann wieder linear polarisiertes Licht vor, dessen Schwingungsrichtung jedoch gegenüber der Schwingungsrichtung des eintretenden linear polarisierten Lichts um 90° gedreht ist.
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Es besteht auch die Möglichkeit, die Planplatte 682 aus einem doppelbrechenden oder einem optisch aktiven Material geeigneter Dicke zu fertigen, so dass die phasenverschiebende Verzögerungswirkung durch die Planplatte erzeugt wird. Auf ein gesondertes Verzögerungselement kann dann verzichtet werden.
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Bei einer nicht bildlich dargestellten Ausführungsform ist im Strahlengang zwischen der ersten Ebene (dort ist das Objekt angeordnet) und der zweiten Ebene (dort ist die Retroreflexionsfläche angeordnet) eine erste Sammellinse und im Strahlweg zwischen der ersten Ebene und dem Kamerasystem eine zweite Sammellinse angeordnet. Die Sammellinsen sind im Wesentlichen identisch zueinander und im Abstand der doppelten Brennweite zueinander positioniert und die erste Ebene bzw. das Objekt liegt etwa mittig zwischen den Sammellinsen. Hierdurch wird ein Fourier-Optik-System aufgebaut. Dadurch ist es möglich, das Prinzip der räumlichen Filterung bestimmter Ortsfrequenzen zu realisieren. Beispielsweise können mittels einer geeigneten Blende in der Nähe der zu detektierenden Markierung zusätzlich gezielt Ortsfrequenzen herausgefiltert werden.
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Auch bezüglich der Lichtquelle sind unterschiedliche Optionen möglich. Beispielsweise kann eine Lichtquelle hoher Kohärenz oder Monochromie zur Beleuchtung genutzt werden. Die Lichtquelle kann beispielsweise ein Laser sein, dessen Laserstrahl aufgeweitet und homogenisiert wird und dessen Polarisation gegebenenfalls bekannt und veränderbar ist, wobei in diesem Fall eventuell vorhandene Polarisationsfilter für einen ausreichend hohen Strahlungsanteil der Lichtquelle durchlässig sein sollen. Es ist auch möglich, Licht von kurzer Kohärenzlänge durch einen Wellenlängenfilter auf ein besonders geeignetes Spektrum zu begrenzen.
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7 soll zur Veranschaulichung der kontraststeigernden Wirkung des Verfahrens bzw. der Vorrichtungen dienen. Die Bilder zeigen jeweils den gleichen Bereich einer Brillenlinse, bei dem die Position einer zu detektierenden Markierung mit Hilfe einer Kette dunkler Tintenpunkte umrahmt ist.
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7A zeigt eine Bildaufnahme mit einem konventionellen System ohne Retroreflektor und ohne bewegte Strahlumlenkung. Die Kamera ist nur auf das Brillenglas fokussiert. Es lassen sich kaum Kontrastunterschiede zwischen Hintergrund und Gravur (Markierung) erkennen. Derart visualisierte Positioniermarken lassen sich nicht zweifelsfrei mit Hilfe einer Bildverarbeitungssoftware detektieren.
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7B zeigt den gleichen Bereich in einer Einzelbildaufnahme mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Retroreflektor, allerdings ohne Bewegung der Strahlumlenkeinrichtung. Das Kamerasystem erfasst sowohl das Objekt mit Markierung als auch die mit Tripelspiegeln strukturierte Retroreflexionsfläche. Es wird deutlich, dass sich die Strukturen der Gravur im Vergleich zum konventionellen System kontrastreicher ausprägen. Störend ist jedoch die Eigenstruktur der Retroreflexionsfläche, durch welche der durch die Retroreflexion gewonnene Vorteil für die Anwendung einer Bildverarbeitung teilweise wieder verloren geht.
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7C zeigt den gleichen Bereich, aufgenommen mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Retroreflektor, nun allerdings mit Bewegung der durch schräg gestellte Planplatte gebildeten Strahlumlenkeinrichtung. Mehrere Einzelbilder mit jeweils gegeneinander versetzten Schattenbildern wurden erzeugt und gemeinsam verarbeitet. Hierbei wird deutlich, dass sich nach der Überarbeitung mit bildverarbeiterischen Mitteln der Kontrast deutlich steigern lässt. Die Abbildung der Gravur verliert zwar etwas an Schärfe. Derart nachbearbeitete Gravuren lassen sich jedoch zu einem hohen Prozentsatz automatisiert in einer adäquaten Zeit lokalisieren und charakterisieren.
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Bei kräftigen bzw. deutlich zu erkennenden Markierungen kann eine einzige Aufnahme zur Bilderkennung bzw. Markenidentifizierung ausreichen. In diesem Fall muss die Strahlumlenkeinrichtung nicht bewegt werden. Bei schwächeren Markierung reichen in der Regel drei bis fünf Bildaufnahmen aus, um eine kontraststarke Bildinformation zur sicheren Markierungsidentifizierung zu erhalten.
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Mit Hilfe der verbesserten Markierungserkennung auf konvex oder konkav gewölbten Oberflächen von ophthalmischen Linsen oder innerhalb dieser Linsen können sehr schwache Markierungen, welche mit dem menschlichen Auge nicht oder nur sehr schwer zu sehen sind, z.B. auf Brillengläsern, automatisiert erkannt werden. Die verbesserte Markierungserkennung führt zur Erhöhung der Prozessleistung und der Prozesssicherheit, weil weniger manuelle Eingriffe als bisher notwendig werden und die Anwender aufgrund der gesteigerten Erkennungsrate Kosten einsparen können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10333426 B4 [0005, 0005, 0086]
