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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zur Messung der Geometrie eines Objektes mit einer Zoom-Optik, bei der Abbildungsmaßstab und Abstand zum Objekt durch Verschiebung von Linsengruppen separat eingestellt werden kann.
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Eine entsprechende Zoom-Optik zum Einsatz in Koordinaten-Messgeräten wird in der
EP 1071922 B1 beschrieben. Im Gegensatz zum sonstigen Stand der Technik handelt es sich hierbei um die einzige Schrift, bei der Abbildungsmaßstab und Arbeitsabstand völlig voneinander unabhängig verändert werden, indem mehrere interne Linsengruppen in Stellung gebracht werden.
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Weitere dem Stand der Technik bekannte Zoom-Optiken realisieren eine Arbeitsabstandsänderung durch das Einbringen von zusätzlichen Linsen. Hierbei verändert sich zumeist auch der Abbildungsmaßstab zwangsläufig mit.
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In der Koordinatenmesstechnik werden optische Sensoren unter anderem für die Bildverarbeitung eingesetzt. Hierbei erfolgt zumeist eine optische Abbildung durch ein Abbildungssystem auf einem zumeist matrixförmigen Bildsensor wie CCD- oder CMOS-Kamerachip. Am mit dem Matrixsensor aufgenommenen Bild werden Kanten oder Strukturen oder ähnliches ermittelt und daraus Punkte bzw. Konturen bestimmt, welche für dimensionelle Messungen an einem Objekt kombiniert werden. Um hierbei höchste Genauigkeiten zu erreichen, ist es notwendig, den Abbildungsmaßstab auch dann sehr genau zu kennen, wenn das Messobjekt nicht ideal im Fokus der Optik angeordnet ist. Dieser Fall tritt insbesondere bei niedrigen Abbildungsmaßstäben und den damit zumeist verbundenen großen Schärfentiefen auf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die die Genauigkeit beeinflussenden Abbildungsfehler einer Zoom-Optik verfahrensmäßig im Wesentlichen zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
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Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, dass eine zumindest objektseitig telezentrische Abbildung erfolgt.
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Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Messung der Geometrie eines Objekte mittels eines Koordinatenmessgeräts mit einem optischen System, insbesondere zur Erfassung und Abbildung wenigstens eines Lichtfleckes, Lichtpunkts, Kontrastübergangs und/oder einer Kante, dessen Lage von der Geometrie bestimmt wird, wobei das optische System eine Zoomoptik umfasst, deren Linsengruppen jeweils motorisch in Stellung für einen unabhängig voneinander wählbaren Abbildungsmaßstab und einen wählbaren Abstand zum Gegenstand separat bewegt werden, wobei zusätzlich zumindest eine Blende motorisch so in Stellung gebracht wird, dass abhängig von der Stellung der Linsengruppen eine zumindest objektseitig telezentrische Abbildung erzielt wird.
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Die telezentrische Abbildung ist dem Stand der Technik bereits lange bekannt, wird aber nur für Objektive mit festem Abbildungsmaßstab oder Zoom-Optiken mit festem Arbeitsabstand eingesetzt. Hierbei ist zudem unklar, ob die Telezentrie bei den Zoom-Optiken für sämtliche Abbildungsmaßstäbe gewährleistet werden kann. Hintergrund für die Einschränkungen ist, dass die zur Erzielung einer Telezentrie in den Strahlengang der Optik einzubringende Blende als Aperturblende in die bildseitige Brennebene positioniert werden muss. Diese Ebene verschiebt sich jedoch bei Änderung des Abbildungsmaßstabes bzw. des Abstandes zum Objekt. Diesbezüglich verschiebbare Blenden in Zoom-Optiken sind dem Stand der Technik nicht bekannt.
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Insbesondere ist das Einbringen einer Telezentrieblende bei den verfügbaren telezentrischen Zoom-Optiken ungelöst, bei denen Zusatzlinsen zum Zwecke von Arbeitsabstandsänderungen bzw. Arbeitsabstandsänderungen und Abbildungsmaßstabsänderungen eingebracht werden.
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Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch das Einbringen einer in Abbildungsrichtung oder quer zur Abbildungsrichtung bewegbaren Telenzentrieblende. Diese kann beispielsweise durch die Fassung einer Linse des Zoom-Objektives gebildet werden oder wird als zusätzliche Blende in den Strahlengang eingebracht.
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Durch die Erfindung wird das Problem gelöst, dass die bildseitige Brennebene durch Veränderung des Abbildungsmaßstabes und/oder des Abstandes zum Gegenstand in ihrer Position in Abbildungsrichtung stark variieren kann und mit einer zwischen zwei fest vorgegebenen Linsen bewegbaren Blende unter Umständen nicht realisiert werden kann. Zur Lösung ist erfindungsgemäß u. a. vorgesehen, weitere Blenden an anderen Positionen im Strahlengang vorzuhalten und gegebenenfalls einzubringen, beispielsweise durch weiteres Schließen der Blende und Öffnen der zunächst verwendeten Blende, um eine bildseitige Brennebene zu erreichen, welche nun z. B. nicht mehr zwischen einer ersten und einer zweiten Linse sondern hinter einer zweiten Linse liegt, indem die erste und die zweite Linse als eine resultierende Linse angesehen wird, wodurch sich die bildseitige Brennebene nun hinter die zweite Linse verlagert. Alternativ ist hierzu erfindungsgemäß vorgesehen, die Blende an einer Linse axial vorbei zu bewegen, indem die Mittel zur Bewegung dieser beiden Komponenten ineinander greifen.
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In Erweiterung der Erfindung soll die Zoom-Optik auch für die messtechnische Erfassung eines mit dem Gegenstand in Berührung gebrachten Tastelementes bzw. einer diesem zugeordneten Zielmarke verwendete werden, wie dies in der
EP 1071922 B1 beschrieben ist. Weitere erfinderische Gedanken beinhalten die Integration von an sich bekannten Beleuchtungsvorrichtungen für die Hellfeldbeleuchtung oder Projektion eines Gitters, sowie die Integration eines optischen Abstandssensors, wie Foucault-Punktsensor, oder die Ausbildung als chromatischen Abstandssensors durch Einbringen eines Hyperachromaten. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden Linsen in Form von Flüssigkeitslinsen eingesetzt. Hierdurch kann eine Optimierung der Optik bezüglich Abmessung, Flexibilität und Geschwindigkeit bei der Umschaltung des Abbildungsmaßstabes und/oder des Arbeitsabstandes erreicht werden.
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Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass zumindest eine Blende durch zumindest eine Linse einer Linsengruppe bzw. deren Fassung gebildet wird, wobei vorzugsweise die Fassung einen kleineren Durchmesser als optisch wirksamer Durchmesser der objektseitig angeordneten Linsengruppe besitzt.
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Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass eine oder mehrere Blenden geöffnet oder teilweise geschlossen werden oder quer zur optischen Abbildungsrichtung in oder aus dem Strahlengang des optischen Systems positioniert werden und/oder eine oder mehrere Blenden in optischer Abbildungsrichtung verschoben werden, vorzugsweise gemeinsam mit einer der Linsengruppen verschoben werden.
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Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass zumindest eine Linsengruppe in optischer Abbildungsrichtung durch zumindest eine Blende hindurch bewegt wird, wobei die Blende vorzugsweise bis zu ihrer maximalen Öffnung geöffnet ist.
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Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der Lichtfleck, Lichtpunkt, Kantrastübergang oder die Kante durch ein Tastelement erzeugt wird, das mit dem Gegenstand in Berührung gebracht wird und dessen Position unmittelbar oder mittelbar über wenigstens eine Zielmarke mit dem optischen System festgestellt wird.
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Hervorzuheben ist des Weiteren, dass während der Verstellung bzw. Positionierung zumindest einer Linse einer Linsengruppe, durch die der Arbeitsabstand der Zoom-Optik verändert wird, mehrere Bilder mit einer der Zoom-Optik zugeordneten Kamera aufgenommen werden und dass aus den Bildern mittels Autofokusverfahren ein Messpunkt oder mehrere Messpunkte zur Bestimmung von einem oder mehreren Geometriemerkmalen des Objektes ermittelt werden.
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Eine Vorrichtung zur Messung der Geometrie eines Objektes mittels eines Koordinatenmessgeräts mit einem optischen System, insbesondere zur Erfassung und Abbildung wenigstens eines Lichtfleckes, Lichtpunkts, Kantrastübergangs und/oder einer Kante, dessen Lage von der Geometrie bestimmt wird, wobei das optische System eine Zoomoptik aufweist, die in optischer Abbildungsrichtung wenigstens zwei axial jeweils getrennt motorisch verschiebbare Linsengruppen enthält, zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass zusätzlich zumindest eine Blende motorisch in axialer und/oder radialer Richtung zu der optischen Abbildungsrichtung derart verschiebbar ist, dass eine zumindest objektseitig telezentrische Abbildung erzielbar ist.
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Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass zumindest eine Linse einer Linsengruppe bzw. deren Fassung eine Blende bildet, wobei vorzugsweise die Fassung einen kleineren Durchmesser als optisch wirksamer Durchmesser der objektseitig angeordneten Linsengruppe besitzt.
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Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass zumindest eine Linsengruppe in optischer Abbildungsrichtung an zumindest einer Blende vorbei, vorzugsweise durch die geöffnete Blende hindurch, bewegt werden kann, wobei die Blende vorzugsweise bis zu ihrer maximalen Öffnung geöffnet ist, vorzugsweise indem die Führung der Linsengruppe so ausgeführt ist, dass diese durch die Blendenöffnung hindurch bewegbar ist.
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Des Weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zusätzlich zumindest ein optisches Filter, wie Lambda/4-Platte oder Polfilter, und/oder zumindest ein optisches oder mechanisches Gitter und/oder zumindest eine Zusatzlinse in radialer Richtung zur optischen Abbildungsrichtung verschiebbar in den Strahlengang eingebracht werden kann.
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Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass zusätzlich ein oder mehrere optische Teilerschichten in den Strahlengang eingebracht sind, um die Einspiegelung einer Hellfeldbeleuchtung und/oder Marken- und/oder Gitterprojektion und/oder eines optischen Abstandsensors zu ermöglichen.
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Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass zusätzlich ein Tastelement und/oder wenigstens eine diesem zugeordnete Zielmarke zur optischen Positionserfassung des Lichtflecks oder Lichtpunkts und/oder eine Vorsatzlinse vor dem optischen System angeordnet oder anordbar ist.
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Ein weiterer erfindungsgemäßer Lösungsvorschlag sieht vor, dass zumindest eine Linse zumindest einer Linsengruppe als Hyperachromat ausgeführt ist oder ein Hyperachromat als Zusatzlinse und/oder Vorsatzlinse in den Strahlengang einbringbar ist.
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Auch sieht die Erfindung vor, dass zumindest eine Linse zumindest einer Linsengruppe als Flüssigkeitslinse ausgeführt ist.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmale – für sich und/oder in Kombination – sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren.
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Es zeigen:
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1 eine Zoom-Optik mit motorisch verstellbaren Linsenpaketen zur unabhängigen Einstellung von Abbildungsmaßstab und Arbeitsabstand nach dem Stand der Technik,
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2 eine erfindungsgemäße Anordnung einer telezentrischen Zoom-Optik mit verschiebbaren Linsenpaketen und Blenden zur unabhängigen Einstellung von Abbildungsmaßstab und Arbeitsabstand,
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3 eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zumindest einer an einer Blende vorbei bewegbaren Linse und
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4 eine besondere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit integrierten Abstandssensoren und Beleuchtungseinrichtungen sowie Filtern.
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Anhand der 1 wird der Stand der Technik für eine Zoom-Optik mit unabhängig voneinander einstellbaren Abbildungsmaßstab und Arbeitsabstand dargestellt. Das Objekt 1 wird dabei über eine feste Frontlinse L4 und die beiden in Abbildungsrichtung 2 verschiebbaren Linsengruppe L2 und L3 (Verschiebung durch die Pfeile 3 und 4 angedeutet) sowie eine gegebenenfalls eingebrachte Abbildungslinse L1 auf eine Matrixkamera 5, wie beispielsweise CCD-Kamera abgebildet. Durch die getrennte Verstellung der Linsengruppe L2 und L3 kann für jeden Arbeitsabstand zusätzlich ein variabler Abbildungsmaßstab eingestellt werden.
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Zu dem Begriff Linsengruppe ist anzumerken, dass eine Linsengruppe eine oder mehrere Linsen umfassen kann.
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2 zeigt eine erste mögliche Realisierung der erfinderischen Idee, bei der Blenden B1, B2, B3 und/oder B4 in den Strahlengang eingebracht werden können. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, zumindest eine dieser Blenden B1 bis B4 einzubringen, es sind also nicht zwangsläufig mehr als eine Blende einzusetzen. Jede der Blenden B1 bis B4 kann unabhängig voneinander in ihrer Position in Abbildungsrichtung entsprechend des Pfeils 6 verschoben werden, sowie in ihrem Durchmesser entsprechend des Pfeils 7 variiert werden. Die Variation des Durchmessers kann beispielsweise durch Irisblenden oder ähnliches erfolgen. Alternativ unterbleibt die Änderung des Durchmessers und es werden feste kreisförmige Blenden eingesetzt.
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Erfindungsgemäß werden in Abhängigkeit von der Stellung der Linsengruppen L2 und L3, welche – wie in 1 bereits erläutert – zur Einstellung von Abbildungsmaßstab und Arbeitsabstand unabhängig voneinander motorisch verschoben werden, eine oder mehreren Blendenpositionen zur Erzielung eines telezentrischen oder nahezu telezentrischen Strahlengangs berechnet und die entsprechende oder die entsprechenden Blenden B1, B2, B3 und/oder B4 an diese Position oder diese Positionen bewegt und gegebenenfalls in ihrem Durchmesser eingestellt. Nach einer zusätzlichen erfinderischen Idee wird die Linse L1 zur Veränderung von Arbeitsabstand und/oder Abbildungsmaßstab quer zur Abbildungsrichtung 2, gekennzeichnet durch den Pfeil 8, in den Strahlengang eingebracht oder ausgeblendet.
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Erfindungsgemäß können eine oder mehrere der Blenden B1, B2, B3, B4 gemeinsam mit den Linsengruppen L2 und/oder L3 bewegbar ausgeführt sein. So kann beispielsweise die Blende B2 und/oder die Blende B3 gemeinsam mit der Linsengruppe L2 verschoben werden, indem entsprechende, nicht dargestellte Verbindungselemente zwischen den Blenden B2 und/oder B3 und der Linsengruppe L2 eingebracht werden. Gleiches gilt für die Blenden B3 und/oder B4 in Verbindung mit der bewegbaren Linsengruppe L3.
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Eine alternative Ausgestaltung der erfinderischen Idee ist in 3 dargestellt. Die 3a) und 3b) zeigen dabei die Linsengruppe L3 in zwei unterschiedlichen Stellungen entlang der Abbildungsrichtung 2. In der 3a) befindet sich die Linsengruppe L3 oberhalb der Blende B4 und in der 3b) unterhalb der Blende B4. Hierzu ist die Blende B4 entlang der durch den Pfeil 7 dargestellten Richtung in ihrem Durchmesser variierbar und die Linsengruppe L3 mittels der Antriebs- und Führungseinheit 9 in der Abbildungsrichtung 2 verschiebbar. Hierdurch lässt sich erfindungsgemäß eine Blende auch an solchen Stellen im Strahlengang anordnen, die bei verändertem Abbildungsmaßstab und/oder Arbeitsabstand als Position für eine der verschiebbaren Linsenpakete benötigt wurde. Hierdurch kann erfindungsgemäß ein kompakter Aufbau und eine flexible Abbildung erzielt werden.
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Die 4 zeigt eine erweiterte erfinderische Ausgestaltung, in der wahlweise optische Abstandssensoren 10a, 10b, ein Filter 18, eine Hellfeldauflichtbeleuchtung 12, ein optisches Gitter 14 oder eine Vorsatzlinse 16 in den Strahlengang eingebracht wird. Der nach dem Foucault-Prinzip arbeitende optische Abstandssensor 10a wird vorzugsweise an der Position eines dichroitischen Teilers 11a in die Zoom-Optik eingespiegelt. Dies hat den Vorteil, dass die optische Abstandsmessung mit Hilfe der Zoom-Optik auf den veränderbaren Arbeitsabstand mit angepasst wird. Alternativ kann der optische Abstandssensor 10b an der Stelle und mit Hilfe eines dichroitischen Teilers 11b in den Strahlengang der Zoom-Optik eingebracht werden, wobei mit Hilfe einer zusätzlichen Linse oder eines zusätzlichen Linsenpaketes eine entsprechende Anpassung auf den Arbeitsabstand und gegebenenfalls den Abbildungsmaßstab, vorzugsweise unter Zuhilfenahme der Bewegung einer Linsengruppe 19 in Richtung des Pfeils 20, vorgenommen werden. Des Weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, ein optisches Filter 18 in den Strahlengang einzubringen. Ebenso kann innerhalb des Linsenpaketes an der Position und durch einen optischen Teiler 13 zwischen den Linsen L4a und L4b die Einspiegelung der Hellfeldauflichtbeleuchtung 12 und gegebenenfalls die Gitterbeleuchtung 14 mittels des optischen Teilers 15 vorgenommen werden. Als eine weitere erfinderische Idee kann eine Vorsatzlinse 16 mittels einer lösbaren Wechselschnittstelle 17 zusätzlich in den Strahlengang eingebracht werden, um beispielsweise Abbildungsmaßstab und/oder Arbeitsabstand zu verändern.
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Des Weiteren ist folgende Verfahrensweise hervorzuheben. Durch die Bewegung zumindest einer Linse der dem Objekt zugewandten Linsengruppe L4 wird erfindungsgemäß der Arbeitsabstand der Zoom-Optik geändert. Werden während des Verfahrens dieser Linse zeitlich nacheinander mehrere Bilder mit der Kamera
5 aufgezeichnet, wird ein Bilderstapel erzeugt, der für eine Autofokusmessung verwendet wird, wie diese z. B. der
WO-A-03/052347 zu entnehmen ist. Durch Helligkeits- oder Kontrastauswertung in zumindest einem Bereich des Bildes wird erfindungsgemäß zumindest ein Punkt für jeden Bereich, also dessen Koordinaten bestimmt. Hierzu muss der Arbeitsabstand der verstellten Linse in ihrer jeweiligen Position zur Bestimmung der z-Koordinaten bekannt bzw. bestimmt sein. Dies erfolgt durch Einmessen, wobei die Linse in mehrere Positionen gebracht wird und in diesen Stellungen bzw. Positionen der Abstand zu einem Objekt zuvor bekannten Abstandes so verändert wird, wobei die Veränderung mittels der Achsen des verwendeten Koordinatenmessgerätes gemessen wird, dass maximaler Kontrast bzw. Helligkeit vorliegt, also scharf gestellt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1071922 B1 [0002, 0012]
- WO 03/052347 A [0039]
