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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abstandssensor zur Abstandsmessung nach dem konfokalen Messprinzip, der eine Vorrichtung zur Projektion einer Lichtlinie auf ein Objekt aufweist.
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Aus der
DE 10 2009 025 815 A1 ist eine Messanordnung sowie ein Verfahren zum dreidimensionalen Messen eines Objektes bekannt, bei dem über Zylinderlinsen das Licht einer Weißlichtquelle auf zehn Linien fokussiert wird und dort beispielsweise in 2000 Lichtleiter eingekoppelt wird, die zu je 200 pro Linie angeordnet sind. Die messkörperseitige Anordnung der Lichtleiter entspricht einem regelmäßigen quadratischen Muster von Messpunkten. Die messkörperseitigen Lichtleiterenden werden mit Hilfe eines Objektives auf eine Messprobe abgebildet.
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Aus der
DE 10 2007 005 625 A1 ist eine Dentalkamera zur 3D-Vermessung mit Scaneinrichtung bekannt, bei der ein Lichtleiterband bestehend aus einer Mehrzahl von Lichtleitern verwendet wird. Die Lichtleiter des Lichtleiterbands bilden zusammen an einem Ende eine Zeile von Lichtpunkten entlang einer x-Richtung. Diese Zeile von Lichtpunkten in der x-Richtung wird durch eine Abbildungsoptik auf ein Objekt abgebildet.
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Optische Abstandssensoren besitzen den Vorteil, dass mit ihnen eine berührungslose Abstandsmessung möglich ist. Bekannte Meßprinzipien zur optischen Abstandsmessung sind die Triangulation sowie die chromatische konfokale Abstandsmessung. Dabei können Abstandssensoren zur zweidimensionalen (2D) Vermessung (Liniensensoren) mit einer Aufnahme gleichzeitig das Höhenprofil entlang einer Linie aufnehmen. Dazu ist es notwendig eine Lichtlinie auf das Objekt zu projizieren, dessen Abstand zu dem Abstandssensor gemessen werden soll. Die Lichtlinie soll dabei für eine hohe Auflösung einer 2D-Abstandsmessung möglichst dünn sein. Um ein ausreichend starkes Messsignal zu bekommen muss die Lichtlinie eine ausreichend hohe Lichtintensität aufweisen. Für die Abstandsmessung mittels Triangulation ist eine Lichtlinie mit konstanter Intensität entlang der Lichtlinie vorteilhaft.
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Bei einem der Anmelderin bekannten Abstandssensor nach dem Triangulationsprinzip wird zur Projektion der Lichtlinie als Lichtquelle eine Laserdiode verwendet. Das von der Laserdiode emittierte Licht wird dabei zunächst auf einen Punkt fokussiert und anschließend mit einer Zylinderlinse auf die gewünschte Lichtlinie aufgeweitet. Anstelle einer einfachen Zylinderlinse ist es auch bekannt, eine Powell-Linse zu verwenden, die eine gleichmäßigere Intensitätsverteilung des Lichtes über die Länge der projizierten Lichtlinie gewährleistet.
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Ein Nachteil bei der Verwendung einer Laserdiode ist es, dass das Laserlicht aufgrund der scharfen Bündelung des von der Laserdiode emittierten Laserlichts hohe Lichtintensitäten aufweist. Die hohen Lichtintensitäten führen leicht zu Schädigungen des Auges weshalb gesetzliche Laserschutzvorschriften zu beachten sind.
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Ein weiterer Nachteil beim Einsatz von Laserdioden ist der gegenüber anderen Lichtquellen höhere Anschaffungspreis.
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Ein anderer an sich bekannter Abstandssensor ist der Abstandssensor zur chromatisch konfokalen Abstandsmessung. Dieser nutzt bei der Projektion eines Lichtpunktes auf das zu vermessende Objekt die chromatische Aberration des zur Projektion des Lichtpunktes verwendeten Linsensystems aus. Durch die chromatische Aberration wird blaues Licht stärker fokussiert als rotes, d. h. der Brennpunkt für blaues Lichts ist näher an der Optik als der für rotes Licht. Dieser Unterschied der Brennweite ist der Messbereich des chromatischen konfokalen Abstandssensors. Das von dem projizierten Lichtpunkt von der Objektoberfläche reflektierte Licht wird spektral analysiert. Aus der Wellenlänge des reflektierten Lichts lässt sich auf den Abstand des Abstandssensors von dem zu vermessenden Objekt schließen, da das Linsensystem mit chromatischer Aberration den Lichtpunkt nur für eine Wellenlänge scharf abbildet, die mit dem Abstand variiert.
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Bei einem bekannten 2D-Abstandssensor zur chromatischen konfokalen Abstandsmessung wird weißes Licht auf eine Reihe von Lochblenden gestrahlt und die durch die Lochblenden gebildete Linie aus Lichtpunkten wird mit einer Abbildungsoptik als eine aus Lichtpunkten bestehende Linie auf das Objekt abgebildet. Die Abbildungsoptik weist wie zuvor beschrieben eine chromatische Aberration auf. Das von dem Objekt reflektierte Licht wird durch die Abbildungsoptik und Strahlteiler auf terlochblenden abgebildet und das durch die Filterlochblenden hindurchgehende Licht wird mit einem Multikanal-Spektrometer spektral analysiert.
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Ein Nachteil dieses bekannten 2D-Abstandssensors zur chromatisch konfokalen Abstandsmessung ist es, dass beim Erzeugen der Lichtpunkte mittels der Lochblenden hohe optische Verluste stattfinden und somit sehr leistungsstarke Lichtquellen notwendig sind. Darüber hinaus tragen auch die Strahlteiler zu optischen Verlusten bei.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Abstandssensor zur chromatisch konfokalen Abstandsmessung bereitzustellen, wobei zur Vermeidung von Gesundheitsgefahren die Verwendung von Laserlichtquellen vermieden wird und gleichzeitig optische Verluste vermieden werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Abstandssensor zur chromatisch konfokalen Abstandsmessung nach Anspruch 1.
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Bei dem erfindungsgemäßen Abstandssensor zur chromatisch konfokalen Abstandsmessung wird als Lichtquelle eine Leuchtdiode verwendet, die gegenüber den im Stand der Technik verwendeten Laserdioden eine wesentlich geringere Gefahr für das menschliche Auge darstellen. Es ist sind daher keine Laserschutzvorschriften zu beachten, wodurch die Handhabung in der Praxis wesentlich vereinfacht wird. Gegenüber der bekannten Vorrichtung mit einer Laserdiode lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung kostengünstiger herstellen.
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Darüber hinaus werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch keine Lochblenden verwendet, sodass hohe optische Verluste vermieden werden können.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Durch das Aufsetzen der ersten Enden der Lichtwellenleiter direkt auf die Licht emittierende Oberfläche der mindestens einen Leuchtdiode und Verkleben mit einem für das von der Leuchtdiode emittierte Licht transparenten Kleber kann eine hocheffiziente Einkopplung des Lichtes von der mindestens einen Leuchtdiode in die Lichtwellenleiter auf einfache Art und Weise erreicht werden.
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Die Verwendung einer weißen Leuchtdiode ist insbesondere für die Verwendung der Vorrichtung in einem Abstandssensor zur chromatischen konfokalen Abstandsmessung von Vorteil. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abstandsmessung nach dem Messprinzip der Triangulation hat die Verwendung einer weißen Leuchtdiode den Vorteil, dass die Lichtlinie ein breites Wellenlängenspektrum aufweist und daher leicht detektiert werden kann.
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Mit einer Leuchtdiode, die eine Peakwellenlänge unterhalb von 400 nm aufweist, ist es möglich eine Abstandsmessung nach dem Messprinzip der Triangulation mit einer für das Auge unschädlichen Lichtintensität durchzuführen.
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Der erfindungsgemäße Abstandssensor zur Abstandsmessung nach dem konfokalen Messprinzip besitzt eine gegenüber dem bekannten 2D-Abstandssensor zur Abstandsmessung nach dem konfokalen Messprinzip eine weniger aufwendige Auskopplung des von der Oberfläche des Objektes reflektierten Lichtes mit den zweiten Lichtwellenleitern ohne die zusätzliche Verwendung von Strahlteilern wie sie bei dem bekannten Abstandssensor verwendet werden. Darüber hinaus wird die optische Effizienz durch Vermeidung von Lochblenden erhöht.
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Weitere Vorteile und Wirkungen der Erfindung werden anhand der detaillierten Beschreibung von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert und veranschaulicht. In den Figuren zeigen:
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1 eine Vorrichtung zur Projektion einer Lichtlinie auf ein Objekt wie sie bei einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
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2 eine Anordnung von Lichtwellenleitern in der Vorrichtung aus 1 mit einer Draufsicht auf die ersten und zweiten Enden der Lichtwellenleiter;
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3 einen Abstandssensor zur Abstandsmessung nach dem Messprinzip der Triangulation mit der Vorrichtung zur Projektion einer Lichtlinie auf ein Objekt aus 1 (nicht Teil der beanspruchten Erfindung);
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4 einen Abstandssensor zur Abstandsmessung nach dem chromatisch konfokalen Messprinzip mit der Vorrichtung zur Projektion einer Lichtlinie auf ein Objekt aus 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
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5 zeigt eine detaillierte Darstellung der Lichtwellenleiter mit einer Draufsicht auf die ersten und zweiten Enden der Lichtwellenleiter sowie ein mit den Lichtwellenleitern verbundenes Vielfachspektrometer.
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1 stellt eine Vorrichtung zur Projektion einer Lichtlinie auf ein Objekt dar wie sie bei einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird. Die Vorrichtung weist eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern 1 auf. Die Lichtwellenleiter 1 sind als optische Fasern, wie z. B. Glasfasern oder polymere optische Fasern, ausgebildet. Dabei besitzen die Lichtwellenleiter 1 jeweils ein erstes und ein zweites Ende. An ihren ersten Enden 1a sind die Lichtwellenleiter 1 zu einem Bündel zusammengefasst und direkt auf die Licht emittierende Oberfläche eines Leuchtdiodenchips 3 aufgesetzt. Zur Befestigung der Lichtwellenleiter 1 auf dem Leuchtdiodenchip 3 wird das Bündel der Lichtwellenleiter 1 mit dem Leuchtdiodenchip verklebt. Dazu wird ein Kleber verwendet, der für das von dem Leuchtdiodenchip 3 emittierte Licht transparent ist. Zu den zweiten Enden 1b der Lichtwellenleiter 1 hin wird das Bündel von Lichtwellenleitern 1 aufgefächert und die zweiten Enden 1b der Lichtwellenleiter 1 werden entlang einer Linie L direkt nebeneinander aufgereiht.
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Das zweite Ende 1b eines jeden Lichtwellenleiters stellt eine näherungsweise punktförmige Lichtquelle dar, welche einen Lichtpunkt emittiert. Die zweiten Enden 1b der Mehrzahl von Lichtwellenleitern 1 emittieren daher eine Reihe von Lichtpunkten entlang der Linie L. Die Vorrichtung zur Projektion einer Lichtlinie 6 auf ein Objekt weist weiter eine geeignete Abbildungsoptik 4 auf, mit der die von den zweiten Enden 1b der Lichtwellenleiter 1 emittierten Lichtpunkte in einen vorbestimmten Abstand projiziert werden. Optional weist die Vorrichtung zur Projektion einer Lichtlinie eine Zylinderlinse 5 auf, mit der die Abbildung der einzelnen Punkte in eine Lichtlinie 6 gewandelt wird. Die Zylinderlinse 5 ist in der in 1 gezeigten Vorrichtung zwischen die auf die Objektoberfläche projizierte Lichtlinie 6 und die Abbildungsoptik 4 angeordnet. Durch die Zylinderlinse 5 wird erreicht, dass Lichtpunkte nicht punktförmig auf ein Objekt sondern in Form von Linien entlang der Lichtlinie 6 projiziert werden. Mit der Zylinderlinse 5 kann daher ein Verwischen der Lichtpunkte zu einer Lichtlinie 6 mit näherungsweise konstanter Lichtintensität entlang der Länge der Lichtlinie 6 erreicht werden. Die Verwendung einer Zylinderlinse als eine das Licht aufweitende Linse stellt eine kostengünstige und einfach herzustellende Variante dar.
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2 stellt die Mehrzahl von Lichtwellenleitern 1 mit ihrem Querschnitt an ihren ersten und zweiten Enden 1a, 1b dar. Es ist in 2 zu sehen, wie die Lichtwellenleiter 1 an ihren ersten Enden 1a zu einem Bündel zusammengefasst sind, und an ihren zweiten Enden 1b zu einer Reihe von aneinander entlang der Linie L aufgereihten Lichtwellenleitern 1 aufgefächte sind.
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In 3 ist ein Abstandssensor zur Abstandsmessung nach dem Messprinzip der Triangulation gezeigt. Der Abstandsmesser zur Abstandsmessung nach dem Messprinzip der Triangulation stellt keinen Teil der beanspruchten Erfindung dar, aber dient einem besseren Verständnis. Der Abstandssensor in 3 weist die oben mit 1 und 2 beschriebene Vorrichtung zur Projektion einer Lichtlinie 6 auf ein Objekt auf.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung vorzugsweise die optionale Zylinderlinse 5 auf, mit der eine Lichtlinie 6 von näherungsweise konstanter Lichtintensität entlang der Länge der Lichtlinie 6 erreicht wird. Die Abbildungsoptik 4 der Vorrichtung zur Projektion einer Lichtlinie 6 besitzt bei dem Abstandssensor aus 3 eine möglichst geringe chromatische Aberration für das von dem Leuchdiodenchip 3 emittierte Wellenlängenspektrum. Der bei dem Abstandssensor aus 3 verwendete Leuchtdiodenchip 3 emittiert Licht mit einer Peakwellenlänge von unterhalb 400 nm in einem Bereich von bevorzugt etwa 375 bis 390 nm. Der Abstandssensor weist weiter ein Objektiv 7 auf, mit dem die auf das Objekt projizierte Lichtlinie 6 auf einen zweidimensionalen Lichtintensitätssenor 8, wie z. B. einen CCD- oder CMOS-Sensor, abbildet. Die Position entlang einer ersten Achse x des zweidimensionalen Lichtintensitätssensors 8 entspricht der Position des Messpunktes bezüglich der Längsrichtung der projizierten Lichtlinie 6, während die Position entlang einer dazu senkrechten Achse y dem Winkel φ entspricht in dem die Lichtlinie 6 auf dem Objekt mit dem Objektiv 7 beobachtet wird. Aus dem gemessenen Winkel φ lässt sich mithilfe des an sich bekannten Verfahrens der Triangulation auf den Abstand des Abstandssensors von dem Objekt schließen. Mit der Messung der Lichtlinie 6 an einer Position lassen sich gleichzeitig die Abstände des Objekts von dem Abstandssensor entlang der Lichtlinie 6 bestimmen. Durch Abtasten des Objektes mit der Lichtlinie 6 können Höhenprofile einer abgetasteten Fläche des Objektes auf schnelle Art und Weise vermessen werden. Die Umrechnung der mit dem zweidimensionalen Lichtintensitätssensor 8 erfassten Positionen der auf den Lichtintensitätssensor abgebildeten Lichtlinie 6 in ein Höhenprofil erfolgt mittels einer nicht dargestellten Auswerteelektronik.
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In 4 ist ein erfindungsgemäßer Abstandssensor zur Abstandsmessung nach dem konfokalen Messprinzip dargestellt. Der Abstandssensor weist wie der oben mit 3 beschriebene Sensor die Vorrichtung zur Projektion einer Lichtlinie 6 aus 1 auf, wobei die Vorrichtung zu Projektion der Lichtlinie aber ohne die Zylinderlinse 5 verwendet wird. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Abstandssensor wird zudem eine Leuchtdiode 23 verwendet, die weißes Licht emittiert. Zudem unterscheidet sich die Abbildungsoptik 24 des Abstandssensors aus 4 dadurch von der Abbildungsoptik 4 des Abstandssensors aus 3, dass er eine starke chromatische Aberration aufweist. In der in 4 ausgebildeten Ausführungform weist die Abbildungsoptik 24 zwei Linsen 27 und 28 auf. Durch das breite Spektrum der weißen Leuchtdiode 23 und die starke chromatische Aberration der Abbildungsoptik 24 wird ein weiter Messbereich des Abstandssensors zu Abstandsmessung nach dem konfokalen Messprinzip erreicht.
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Zusätzlich zu den ersten Lichtwellenleitern 1 zur Projektion einer Lichtlinie 26 ist bei dem Abstandssensor aus 4 eine Mehrzahl von zweiten Lichtwellenleitern 21 vorgesehen, die der Aufnahme der von dem Objekt reflektierten Lichtlinie 26 dienen. Wie die ersten Lichtwellenleiter 1 sind die zweiten Lichtwellenleiter 21 als optische Fasern, wie z. B. Glasfasern oder polymere optische Fasern, ausgebildet. Die zweiten Lichtwellenleiter 21 sind mit einem Vielfachspektrometer 29 verbunden. Wie in 5 gezeigt sind die ersten Enden 21a der zweiten Lichtwellenleiter 21 einzeln mit den verschiedenen Kanälen 29a bis 29f des Vielfachspektrometers 29 verbunden. Die zweiten Enden 21b der zweiten Lichtwellenleiter 21 sind zu beiden Seiten entlang der Linie L aneinander gereiht angeordnet, entlang der auch die zweiten Enden 1b der ersten Lichtwellenleiter 1 zur Projektion der Lichtlinie 26 aneinander gereiht angeordnet sind. Somit bilden die zweiten Enden 1b und 21b der ersten und zweiten Lichtwellenleiter 1 und 21 in Draufsicht eine Zeile Z, die sich aus drei zueinander parallelen und unmittelbar aneinander angrenzenden Reihen von zweiten Enden 1b und 21b der Lichtwellenleiter 1 und 21 zusammensetzt. Die Lichtlinie 26 auf der Oberfläche des Objektes wird mit der Abbildungsoptik 24 auf diese Zeile Z abgebildet und ein Teil des Lichtes der auf die Zeile Z abgebildeten Lichtlinie 26 wird in die zweiten Lichtwellenleiter 21 eingekoppelt. Durch die zweiten Lichtwellenleiter 21 wird dieser Teil des Lichtes dann zu den einzelnen Kanälen 29a bis 29f des Vielfachspektrometers 29 geleitet.
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Mit einer in den Figuren nicht dargestellten Auswerteelektronik wird aus den mit den einzelnen Kanälen 29a bis 29f gemessenen Wellenlängen jeweils ein dieser Wellenlänge entsprechender Abstand des Messpunktes von dem Abstandssensor berechnet. Die so berechneten Abstände der Messpunkte von dem Abstandssensor ergeben ein Höhenprofil der Oberfläche des Objektes entlang der auf diese Oberfläche projizierten Lichtlinie 26.
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Wie oben mit dem Abstandssensor aus 3, kann auch mit dem Abstandssensor aus 4 und 5 durch Abtastung einer Oberfläche des Objektes mit der Lichtlinie 26 ein Höhenprofil dieser Oberfläche erstellt werden.
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Bei den beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung zur Projektion einer Lichtlinie, des Abstandssensors zur Abstandsmessung nach dem Messprinzip der Triangulation und des Abstandssensors zur Abstandsmessung nach dem konfokalen Messprinzip sind verschiedene Abwandlungen möglich.
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So sind bei der in 1 gezeigten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Lichtlinie 6 die ersten Enden 1a der Lichtwellenleiter 1 alle mit einem einzelnen Leuchtdiodenchip 3 verbunden. Es ist aber auch denkbar, die ersten Enden 1a der Lichtwellenleiter 1 mit zwei oder mehreren Leuchtdiodenchips 3 optisch zu koppeln. Durch die Verwendung von mehr als nur einem Leuchdiodenchip 3 kann die maximale Anzahl der Lichtwellenleiter 1 und damit die Länge der Lichtlinie 6 erhöht werden.
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Darüber hinaus sind bei der mit 1 beschriebenen Ausführungsform die Lichtwellenleiter 1 mit dem Leuchdiodenchip 3 verklebt. Es ist aber auch denkbar, die Lichtwellenleiter 1 auf andere Art und Weise, z. B. mit einer rein mechanischen Fixierung, relativ zu dem Leuchtdiodenchip 3 zu fixieren.
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Weiter sind bei der in 1 beschriebenen Ausführungsform die ersten Enden der Lichtwellenleiter 1 direkt auf die Licht emittierende Oberfläche des Leuchtdiodenchips 3 aufgesetzt. Es ist aber auch möglich, auf andere Art und Weise das Licht von dem Leuchtdiodenchip in die Lichtwellenleiter 1 einzukoppeln, insbesondere durch ein zwischen den Leuchtdiodenchip 3 und die ersten Enden 1a der Lichtwellenleiter 1 geschaltete Optik.
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Es sei bemerkt, dass die bei den Ausführungsformen verwendeten optischen Elemente alle wahlweise refraktive oder aber diffraktive optische Elemente sein können.
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Zur Homogenisierung der Lichtintensität der Lichtlinie 6 entlang der Lichtlinie 6 wurde mit 1 die Verwendung einer Zylinderlinse 5 beschrieben. Obwohl die Zylinderlinse 5 die einfachste Möglichkeit der Homogenisierung der Lichtintensität darstellt, ist dieses Ziel auch mit anderen optischen Elementen, insbesondere mit einer anderen Licht aufweitenden Linse möglich.
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In 1 und 3 ist die Zylinderlinse 5 zwischen der Abbildungsoptik 4 und der Objektoberfläche dargestellt. Jedoch kann die Zylinderlinse 5 auch auf der anderen Seite der Abbildungsoptik 4, nämlich zwischen den zweiten Enden 1b der Lichtwellenleiter 1 und der Abbildungsoptik 4 angeordnet sein.
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Die Vorrichtung zur Projektion einer Lichtlinie 6 auf ein Objekt wurde so dargestellt, dass die zweiten Enden 1b der Lichtwellenleiter 1 in einer Reihe entlang einer Linie L aneinander aufgereiht angeordnet sind. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass eine dem Durchmesser der Lichtwellenleiter 1 entsprechend dünne Lichtlinie erzeugt werden kann. Je nach geforderter Breite der Lichtlinie 6 und dem Durchmesser der verwendeten Lichtwellenleiter 1 ist es aber auch möglich die zweiten Enden 1b der Lichtwellenleiter 1 entlang der Linie L in zwei oder mehreren Reihen anzuordnen.
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Bei dem mit 4 und 5 beschriebenen Abstandssensor wurde die Anordnung der zweiten Lichtwellenleiter 21 so beschrieben, dass die zweiten Enden 21b dieser zweiten Lichtwellenleiter 21 in jeweils einer Reihe auf beiden Seiten der ersten Lichtwellenleiter 1 angeordnet sind. Es ist aber auch möglich, die zweiten Enden 21b der zweiten Lichtwellenleiter 21 auf nur einer Seite der ersten Lichtwellenleiter 1 anzuordnen. Zudem ist es auch möglich, die zweiten Enden 21b der zweiten Lichtwellenleiter 21 in mehr als zwei Reihen anzuordnen um einen größeren Anteil des von dem Objekt reflektierten Lichts einzufangen.
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Bei dem mit 4 und 5 beschriebenen Abstandssensor wurde beschrieben, dass die ersten Enden 21a der zweiten Lichtwellenleiter 21 einzeln mit den verschiedenen Kanälen 29a bis 29f des Vielfachspektrometers verbunden sind. Es ist aber auch möglich, jeweils zwei, insbesondere ein Paar von auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Lichtwellenleiter 1 liegenden zweiten Lichtwellenleitern 21, oder mehr der zweiten Lichtwellenleiter 21 jeweils mit einem Kanal 29a bis 29f des Vielfachspektrometers 29 zu verbinden.
