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Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungsmodul für einen optischen Sensor sowie einen optischen Sensor mit einem solchen Beleuchtungsmodul für ein Koordinatenmessgerät zur Vermessung von Innengewinden oder Bohrlöchern eines Werkstücks.
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Als optische Sensoren für die berührungslose Erfassung von Koordinaten eines Werkstücks sind neben der visuellen Erfassung mittels CCD- oder CMOS-Kameras auch konfokale chromatische Sensoren, konoskopische Sensoren, Abstandssensoren mit Foucault'scher Schneide, konfokale Mikroskope sowie Sensoren bekannt, die auf den Messprinzipien der Fokusvariation, der Streifenprojektion, der klassischen Triangulation, der Photogrammetrie, der klassischen Interferometrie sowie auf der Weißlichtinterferometrie beruhen. Ein Koordinatenmessgerät mit einem optischen Sensor basierend auf der Weißlichtinterferometrie ist zum Beispiel aus dem Patent
DE 103 92 656 B4 oder aus der Veröffentlichung
US 2010/0312524 A1 bekannt. Die Weißlichtinterferometrie ist dabei auf dem Gebiet des Maschinenbaus zur Vermessung von reflektierenden Oberflächen als optisches Kohärenzradar und auf medizinischem Gebiet zur Vermessung von weichen Gewebevolumen als optische Kohärenztomographie (optical coherence tomography, OCT) bekannt. Ferner ist die Vermessung von rauen Oberflächen mittels des optischen Kohärenzradars als eine Spezialform der Speckle-Interferometrie bekannt, siehe Dresel et al. „Three-dimentional sensing of rough surfaces by coherence radar” APPLIED OPTICS, Vol. 31, No. 7, March 1992, P. 919–925.
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Der Vermessung von Innenwänden von Bohrlöchern mittels der Weißlichtinterferometrie widmet sich die Veröffentlichung
DE 10 2004 012 426 A1 . Dabei wird ein Periskop bzw. ein Umlenkspiegel dazu genutzt, den Fokus bzw. die Fokuszone des Weißlichtinterferometers auf einen Punkt bzw. einen Bereich mit kleiner lateraler Ausdehnung der Innenwand zu lenken, um den Abstand dieses Punktes bzw. Bereichs der Innenwand zu messen. Nachteilig ist jedoch, dass zur vollständigen Vermessung nur einer Höhenlinie der Innenwand das Periskop bzw. der Umlenkspiegel sukzessive in verschiedene Drehpositionen um insgesamt 360° gedreht und pro Drehposition jeweils ein Messpunkt aufgenommen werden muss. Dies führt zu einer großen Zeitspanne für die vollständige Vermessung einer oder mehrere Höhenlinien der Innenwand eines Bohrlochs oder eines Innengewindes.
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Die gleichzeitige Erfassung ganzer Höhenlinien von Innenwänden von Bohrlöchern ist im Zusammenhang mit der
5 des Patents
US 4 453 082 A mittels eines rotationssymmetrischen Parabolspiegels für einen konfokalen Sensor offenbart. Nachteilig ist jedoch, dass der durch den Parabolspiegel erzeugte vollständige Fokusring in seinem Durchmesser durch die festgelegte Form des Parabolspiegels nicht variabel ist und so für verschiedene Bohrlochdurchmesser verschiedene Sensoren mit unterschiedlichen Parabolspiegeln genutzt werden müssen.
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Dieses Problem der Fokusvariation löst die Veröffentlichung
EP 2 093 536 A1 dadurch, dass statt eines Parabolspiegels ein Konus genutzt wird und die Erzeugung des Fokusrings durch die Erzeugung bzw. Nutzung von ausschließlich zur optischen Achse geneigter Lichtstahlen herbeigeführt wird. Dabei werden in dem Ausführungsbeispiel zur
1 der genannten Veröffentlichung zwei Blenden zur Auswahl ausschließlich zur optischen Achse geneigter Lichtstrahlen und in dem Ausführungsbeispiel zur
11 ein Axikon zur Erzeugung ausschließlich zur optischen Achse geneigter Lichtstrahlen verwendet. Durch diese Schrägstellung der Lichtstrahlen zur optischen Achse wird gewährleistet, dass diese Lichtstrahlen auf einer Seite des Konus einen Fokus bilden und dass nach der Reflektion an der Innenwand eines Bohrlochs diese Lichtstrahlen auch auf der gleichen Seite des Konus zu einem Detektor zurücklaufen können. Ohne diese Schrägstellung würden die an der Innenwand reflektierten Strahlen auf dem Rückweg nicht mehr den Konus treffen. Dies ist der Grund, warum in vielen Dokumenten des Standes der Technik, welche in der Regel parallel zur optischen Achse ausgerichtetes Licht für eine Fokussierung durch eine Linse nutzen, ein Umlenkspiegel bzw. Periskop nach der Linse zum Umlenken des Fokuspunkts verwendet wird, da bei diesen Elementen sichergestellt ist, dass sowohl die zur Innenwand bzw. dem Fokus hinlaufenden Strahlen als auch die zurückkommenden reflektierten Strahlen durch den Umlenkspiegel bzw. das Periskop vollständig erfasst werden.
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Die Anpassung an verschiedene Bohrlochdurchmesser wird in der Veröffentlichung
EP 2 093 536 A1 dadurch realisiert, dass der Abstand des Konus vom restlichen Sensor veränderbar ist. Hierzu ist es allerdings notwendig, den Konus und/oder das zugehörige Gehäuse, in das der Konus eingebettet ist, zu bewegen. Hierdurch müssen einerseits relativ große Massen bewegt werden und es muss andererseits die Bewegung des Konus sehr präzise kontrolliert werden. Die großen Massen führen zu einer Erhöhung der notwendigen Mess- bzw. Umrüstzeit für unterschiedliche Bohrlochdurchmesser oder für Bohrlöcher mit größeren Durchmesserschwankungen, wie sie zum Beispiel bei Innengewinden gegeben sind. Die Ungenauigkeit in der Bewegung des Konus führt zu einer reduzierten Messgenauigkeit sobald der Konus im Rahmen einer Messung bewegt werden muss.
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Die
US 2004/0238110 A1 und die
JP H10-91999 A zeigen zylindrische Ringbündel mit unterschiedlichen Radien, die mittels Bifokalelement in unterschiedliche bogenförmige Foki fokussiert werden, jedoch nicht zu Messzwecken.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Beleuchtungsmodul für einen Sensor sowie einen Sensor für ein Koordinatenmessgerät zur Vermessung von Bohrlöchern und insbesondere von Innengewinden anzugeben, das bzw. der zur Vermessung ganzer Höhenlinien von Bohrlöchern mit wenigstens zwei unterschiedlichen Durchmessern und insbesondere von Innengewinden keine beweglichen optischen Elemente, noch einen Wechsel von optischen Elementen zur Erzeugung der mindestens zwei für die Vermessung notwendigen Fokusbereichen benötigt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Beleuchtungsmodul für einen optischen Sensor zur Vermessung einer Oberfläche eines Werkstücks mittels eines Koordinatenmessgeräts umfassend mindestens eine Lichtquelle sowie optische Elemente zur Führung des Lichts einerseits auf dem Hinweg von der mindestens einen Lichtquelle auf die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks und andererseits auf dem Rückweg von der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks zu mindestens einem Detektor des optischen Sensors, wobei einige der genannten optischen Elemente sowohl für die Strahlführung auf dem Hinweg als auch für die Strahlführung auf dem Rückweg genutzt werden und wobei mindestens eines dieser genannten optischen Elemente ein Umlenkelement ist, das auf dem Hinweg für eine Umlenkung des Lichts auf die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks und auf dem Rückweg für eine Umlenkung des Lichts zu dem mindestens einen Detektor sorgt, wobei mindestens ein erstes optisches Element zur Führung des Lichts auf dem Hinweg von der Lichtquelle in Richtung des Umlenkelements Mittel zur Erzeugung von mindestens zwei zur optischen Achse geneigten Ringbündel des Lichts aufweist, wobei die geneigten Ringbündel rotations-symmetrisch zur optischen Achse geneigt sind und der Neigungswinkel der Ringbündel zueinander unterschiedlich ist und wobei das mindestens eine erste optische Element und/oder ein weiteres zweites optisches Element zur Führung des Lichts auf dem Hinweg von der Lichtquelle in Richtung des Umlenkelements Mittel zur Brechung und/oder Beugung des Lichts aufweisen, wobei mindestens zwei dieser Mittel unterschiedliche Brechkraft und/oder unterschiedliche Beugungswirkung aufweisen, so dass im Zusammenspiel der Mittel zur Erzeugung geneigter Ringbündel und der Mittel zur Brechung und/oder Beugung des Lichts mit dem Umlenkelement mindestens zwei räumlich voneinander getrennte, zumindest teilweise bogenförmig ausgebildete Fokusbereiche des Beleuchtungsmoduls vorliegen.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass auf den Wechsel optischer Elemente und/oder auf die Bewegung optischer Elemente insbesondere bei der Vermessung von Innengewinde verzichtet werden kann, wenn es gelingt, das Beleuchtungsmodul bzw. den Sensor mit mindesten zwei benachbarten Fokusbereichen statt nur mit einem variierbaren Fokusbereich auszustatten. Darüber hinaus wurde erfindungsgemäß erkannt, dass es zur Erzeugung von mindesten zwei unterschiedlichen Fokusbereichen einerseits notwendig ist, zwei geneigte Ringbündel zu erzeugen, damit diese durch ein Umlenkelement sowohl auf eine zu vermessende Oberfläche hin, als auch auf den Detektor zurück umgelenkt werden können, und andererseits notwendig ist, diese zwei Ringbündel unterschiedlich zu fokussieren, damit diese Ringbündel in unterschiedlich entfernten Brenn- bzw. Feldebenen zu liegen kommen. Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung zwischen beweglichen und veränderbaren optischen Elementen unterschieden. Bewegliche optische Elemente können in ihrer Position verändert werden. Im Gegensatz dazu können veränderbare optische Elemente ihre optische Eigenschaft ändern, sie sind aber bezüglich ihrer Position unveränderbar ortsfest. Demzufolge ist eine Mehrfachspiegelanordnung (multi-mirror-array, MMA) mit Mikrospiegeln, wie sie im Zusammenhang mit den 3 bis 7 diskutiert wird, ein veränderbares optisches Element und kein bewegliches optisches Element, da nur die Ausrichtung der Mikrospiegel der Mehrfachspiegelanordnung nicht jedoch die Position der Mehrfachspiegelanordnung verändert wird.
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In einer Ausführungsform weist das mindestens eine erste optische Element mindestens zwei zueinander geneigte und auf eine gemeinsame Symmetrieachse bezogene, konische Flächen auf. Ein Axikon mit zwei unterschiedlich geneigten Axikonflächen bzw. ein Doppelaxikon ist ein einfaches Mittel, um zwei zueinander geneigte Ringbündel mit gemeinsamer Symmetrieachse zu erzeugen. Darüber hinaus lässt sich ein solches Doppelaxikon für den sichtbaren Wellenlängenbereich durch ein Kunststoffspritzgussverfahren kostengünstig erzeugen. Als eine konische Fläche wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung im technischen Sinne und damit abweichend vom mathematischen Sinne die Außenfläche eines Kegels bzw. Kegelstumpfes verstanden.
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In einer weiteren Ausführungsform bestehen die Mittel zur Brechung und/oder Beugung des Lichts aus Mitteln der Gruppe: Ring- bzw. Toroid-Linsen, Fresnell-Linsen, Zylinderlinsen, Mikrolinsen, Wabenkondensatoren und diffraktive optische Elemente (DOE). Diese genannten Mittel sind geeignet, benachbarte Bündel von Licht unterschiedlich entfernte Brennebenen zuzuordnen.
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In einer Ausführungsform ist das mindestens eine erste optische Element ein Axikon, dessen Vorderseite mindestens zwei zueinander geneigte konische Flächen aufweist und dessen Rückseite mindestens einen Oberflächenabschnitt aufweist, der sich durch den Oberflächenabschnitt eines Torus beschreiben lässt. Indem zum Beispiel die Rückseite eines Doppelaxikons mit einer Ringlinse versehen wird, ist es möglich, die Mittel zur Erzeugung geneigter Ringbündel und die Mittel zur Erzeugung unterschiedlicher Brennebenen für diese Ringbündel in einem optischen Element zu kombinieren, welches sich darüber hinaus noch durch ein Kunststoffspritzgussverfahren kostengünstig herstellen lässt.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Umlenkelement mindestens zwei zueinander geneigte und auf eine gemeinsame Symmetrieachse bezogene, konische Flächen auf. Hierdurch kann die Blickrichtung zumindest für einen Fokusbereich auf die Oberfläche des Werkstücks geändert werden. Insbesondere bei Innengewinden ist eine geänderte Blickrichtung z. B. senkrecht auf die Gewindeflanken für eine Qualitätssicherung hilfreich. Dazu können die mindestens zwei zueinander geneigten Flächen einen Winkel von größer als 20° zwischen ihren Flächennormalen aufweisen. Insbesondere eine Ausführungsform, bei der das Umlenkelement mindestens drei geneigte und auf eine gemeinsame Symmetrieachse bezogene, konische Flächen aufweist und bei der mindestens zwei geneigten Flächen einen Winkel von größer als 5° zwischen ihren Flächennormalen aufweisen, erlaubt eine nahezu vollständige Erfassung eines Innengewindes aus mehreren senkrechten Richtungen auf die Gewindeflanken, den Kerndurchmesser und den Außendurchmesser.
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In einer Ausführungsform sendet die Lichtquelle des Beleuchtungsmoduls bzw. Sensors mindestens zwei unterschiedliche Wellenlängen aus, deren Wellenlängen sich um wenigstens 50 nm unterscheiden und das Beleuchtungsmodul weist einen Farblängsfehler für diese beiden Wellenlängen auf, der zwischen 10 μm und 1 mm beträgt. Durch die gezielte Ausnutzung des Farblängsfehler des Beleuchtungsmoduls lässt sich im Zusammenspiel mit einem farbauflösenden Detektor der Arbeitsbereich der mindestens zwei Fokusbereiche um den Betrag des Farblängsfehlers erweitern.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Beleuchtungsmodul eine Wechselschnittstelle zur Ankopplung des Beleuchtungsmoduls an den Sensor auf. Hierdurch wird gewährleistet, dass das Beleuchtungsmodul gegen ein anderes Beleuchtungsmodul, welches zum Beispiel für die Vermessung eines anderen Durchmessers ausgelegt ist, getauscht werden kann. Ferner ist durch eine Wechselschnittstelle die Nachrüstung von bestehenden optischen Sensoren mit einem erfindungsgemäßen Beleuchtungsmodul möglich.
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Die vorliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch einen optischen Sensor für ein Koordinatenmessgerät zur Vermessung einer Oberfläche eines Werkstücks umfassend ein erfindungsgemäßes Beleuchtungsmodul und mindestens einen Detektor, der flächenmäßig zur Erfassung von Intensitätssignalen von Licht aus den mindestens zwei räumlich voneinander getrennten, zumindest teilweise bogenförmig ausgebildeten Fokusbereichen ausgebildet ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. In diesen zeigt
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1 eine schematische Darstellung eines optischen Sensors des Standes der Technik entsprechend der
11 aus
EP 2 093 536 A1 ;
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2 eine schematische Darstellung einer ersten alternativen Ausführungsform eines konfokalen Sensors im Vergleich zu 1;
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3 eine schematische Darstellung einer zweiten alternativen und erfindungsgemäßen Ausführungsform eines konfokalen Sensors im Vergleich zu 1;
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4 eine schematische Darstellung einer dritten alternativen Ausführungsform eines konfokalen Sensors im Vergleich zu 1;
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5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Sensors basierend auf der Weißlichtinterferometrie;
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6 ein schematische Darstellung eines alternativen und erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls bzw. Sensors im Vergleich zu 3; und
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7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls bzw. Sensors.
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1 zeigt einen optischen Sensor 30 des Standes der Technik für ein Koordinatenmessgerät zur Erfassung von Oberflächenkoordinaten eines Werkstücks 7 umfassend mindestens eine Lichtquelle 1 und mindestens einen Detektor 10 sowie optische Elemente 2, 3, 4, 5, 6 und 9 zur Führung des Lichts einerseits auf dem Hinweg von der mindestens einen Lichtquelle 1 auf die Oberfläche 7a des zu vermessenden Werkstücks 7 und andererseits auf dem Rückweg von der Oberfläche 7a des zu vermessenden Werkstücks 7 zu dem mindestens einen Detektor 10, wobei einige der genannten optischen Elemente 4, 5, 6 und 6a sowohl für die Strahlführung auf dem Hinweg als auch für die Strahlführung auf dem Rückweg genutzt werden und wobei mindestens eines dieser genannten optischen Elemente ein Umlenkelement 6a ist, das auf dem Hinweg für eine Umlenkung des Lichts auf die Oberfläche 7a des zu vermessenden Werkstücks 7 und auf dem Rückweg für eine Umlenkung des Lichts zu dem mindestens einen Detektor 10 sorgt, wobei auf dem Hinweg durch das Umlenkelement 6a der Fokusbereich des Sensors 30 zumindest teilweise bogenförmig ausgebildet wird und wobei der mindestens eine Detektor 10 flächenmäßig zur Erfassung von Intensitätssignalen von Licht aus diesem zumindest teilweise bogenförmigen Fokusbereich ausgebildet ist.
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Der in
1 dargestellte optische Sensor
30 entspricht samt den Bezugszeichen dem in
11 der
EP 2 093 536 A1 offenbarten Sensor, lediglich das Bezugszeichen
7a für die Oberfläche des Werkstücks
7 wurde ergänzt. Ferner wurde das optische Element
6 in der
1 nicht in einer abgesetzten Form wie in der
11 der
EP 2 093 536 A1 sondern als Vollzylinder dargestellt. Darüber hinaus wurde in der
1 im Gegensatz zu der
11 mehr Platz für den Lichtweg zwischen der Kollimationslinse
2 und dem Axikon
3 eingeräumt. Ein weiterer Unterschied der hier vorliegenden
1 zu der
11 der
EP 2 093 536 A1 ergibt sich daraus, dass die Lage der Blende
8 in der
11 unterhalb der Linse
9 der Lage einer Pupillenebene entspricht und die Lage der Blende
8 in der vorliegenden
1 oberhalb der Linse
9 gemäß dem Ort der kleinsten Einschnürung der Lichtstrahlen gewählt wurde. Ferner ist festzuhalten, dass in der
11 der
EP 2 093 536 A1 Lichtstrahlen oberhalb des Strahlteilers
4 eingezeichnet sind, die in der Realität nicht existieren. Dies betrifft die äußersten Lichtstrahlen am Detektor
10 der
11 der
EP 2 093 536 A1 . Vermutlich wurden diese nicht existierenden Lichtstrahlen zur Verdeutlichung der Pupillenebene und damit der Lage der Blende
8 in die
11 der
EP 2 093 536 A1 aufgenommen. Eine korrekte Darstellung der Lichtstrahlen ohne diese nicht existierenden Lichtstrahlen findet sich dagegen in der nachfolgenden
12 der
EP 2 093 536 A1 .
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Die Funktionsweise des in
1 dargestellten Sensors
30 wird im Folgenden kurz erläutert. Darüber hinaus wird auf die Offenbarung der
EP 2 093 536 hinsichtlich der Funktionsweise dieses Sensors verwiesen, welche hiermit vollumfänglich für die Beschreibung des Sensors
30 der
1 in Bezug genommen wird.
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Der in 1 dargestellte Sensor 30 eignet sich insbesondere zur Vermessung der Oberflächenkoordinaten der Innenseiten von Bohrlöchern eines Werkstücks 7, da der Sensor 30 in der Lage ist, den auf die Innenwand bzw. Oberfläche 7a in Form eines Rings projizierte Fokusbereich des Sensors 30 mittels nur einer Messung vollständig auf den Detektor 10 abzubilden. Dazu wird das Licht der Lichtquelle 1 zunächst durch eine Kollimationslinse 2 kollimiert, d. h. nahezu parallel zur optischen Achse ausgerichtet. Ein nachfolgendes Axikon 3 sorgt für eine Zerlegung des parallel ausgerichteten Lichts in ein umfänglich geschlossenes Ringbündel, wobei das Ringbündel nachfolgend eine konstante Neigung zur optischen Achse aufweist. Ein dem Axikon 3 im Hinweg des Lichts nachfolgender Strahlteiler 4 lenkt das Ringbündel in Richtung einer Linse 5 um.
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Aufgrund der Tatsache, dass sich das Axikon 3 in etwa der Ebene der vorderen Schnitt- bzw. Brennweite der nachfolgenden Linse 5 befindet, werden diejenigen Lichtstrahlen des Ringbündels, die zuvor annähernd durch die Spitze des Axikons gelaufen sind und somit von einem Punkt der optischen Achse ihren Ausgang nehmen, durch die Linse 5 parallel zu der optischen Achse ausgerichtet. Der laterale Abstand dieser Strahlen zur optischen Achse bzw. die sogenannte Höhe h beträgt nach der Linse 5 dann entsprechend h = f·sinα, wobei f die Brennweite der Linse 5 und α der Neigungswinkel gegenüber der optischen Achse beim Axikon 3 ist. Durch die parallele Ausrichtung dieser Strahlen zur optischen Achse gelangen diese Strahlen durch die der Linse 5 nachfolgenden Planoptiken, insbesondere den in einen transparenten Zylinder 6 eingebetteten bzw. eingearbeiteten Umlenkkonus 6a nahezu senkrecht auf die zu vermessende Innenwand 7a des Bohrlochs bzw. Werkstücks 7 und werden daher in sich reflektiert, wodurch diese Strahlen den gleichen Pfad für den Hin- und den Rückweg zwischen Strahlteiler 4 und Oberfläche 7a einnehmen. Auf dem Rückweg durchtreten diese Strahlen allerdings den Strahlteiler 4 und gelangen zu dem Detektor 10.
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Der ringförmige Fokusbereich entsteht nun dadurch, dass nicht nur die Strahlen aus der Axikonspitze sondern alle Strahlen nach dem Axikon 3 den gleichen Neigungswinkel zur optischen Achse aufweisen. Da das Axikon 3 sich in etwa im Brennpunkt der Linse 5 befindet, stellt die Ebene des Axikons eine Beleuchtungspupillenebene des Sensors 3 dar. Gemäß der allgemeinen optischen Fourier-Beziehungen zwischen Feld- und Pupillenebenen, die selbst bei einer einzelnen Linse 5 gegeben sind, sammeln sich alle Strahlen, die in einer Beleuchtungspupillenebene einer Optik der Brennweite f mit dem gleichen Neigungswinkel α starten, in der Beleuchtungsfeldebene in einem Punkt mit dem lateralen Abstand h = f·inα zur optische Achse. D. h. mit anderen Worten, die Erzeugung eines zur optischen Achse rotationssymmetrischen Ringbündels mit konstanter Neigung der Strahlen des Ringbündels zur optischen Achse in der Beleuchtungspupillenebene des Sensors 30 durch das Axikon 3 führt aufgrund der optischen Fourier-Beziehung von Feld- und Pupillenebenen automatisch zur Erzeugung eines ringförmigen Fokusbereichs in der Feldebene des Sensors 30. Dieser durch die geneigten Strahlen erzeugte ringförmige Fokusbereich wird bei dem Sensor 30 der 1 durch einen verspiegelten Konus 6a am Ende eines transparenten Zylinderelements 6 auf die zu vermessende Oberfläche 7a des Werkstücks 7 umgelenkt.
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Ohne die Erzeugung geneigter Strahlen durch das Axikon 3 würden sich alle ansonsten parallele Strahlen aufgrund h = f·sin 0° = 0 mm in einem Fokuspunkt auf der optischen Achse sammeln. Hierdurch wäre es nicht möglich, die Strahlen mit dem Umlenkkonus 6a auf dem Hinweg und auf dem Rückweg umzulenken. Die Strahlen würden in diesem Fall auf dem Rückweg die optische Achse oberhalb des Konus schneiden und somit den Konus für eine weitere Umlenkung in Richtung des Detektors 10 verfehlen.
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In der
EP 2 093 536 A1 ist im Zusammenhang mit der dortigen
1 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensors
30 des Standes der Technik gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden hintereinander gestaffelte Blenden als weitere Möglichkeit zur gezielten Auswahl geneigter bzw. schiefwinkliger Strahlen offenbart. Diese Lösung hat jedoch größere Lichtverluste aufgrund der Blenden zur Folge.
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Die durch den ringförmigen Fokusbereich beleuchteten Oberflächenabschnitte der Oberfläche
7a werden bei dem Sensor
30 der
1 durch zwei Linsen
5 und
9 auf einen zweidimensionalen Detektor, zum Beispiel einen CCD- oder CMOS-Chip, abgebildet. D. h. mit anderen Worten, es werden mittels einer digitalen Kamera Aufnahmen der beleuchteten Oberflächenabschnitte getätigt. Zur Ermittlung der Koordinaten der beleuchteten Oberflächenabschnitte kann dann aus den getätigten Aufnahmen die Verbreiterung der aufgenommenen Fokuslinie entsprechend dem im Zusammenhang mit der
12 der
EP 2 093 536 A1 diskutierten Verfahrens ermittelt werden. Hierzu wird auf die vollumfänglich in Bezug genommene
EP 2 093 536 A1 und die dortige Figurenbeschreibung zur
12 verwiesen. Allerdings ist es auch möglich, den Abstand des Zylinders
6 und damit des Umlenkkonus
6a gegenüber dem restlichen Sensor
30 zu variieren und damit verschiedene Aufnahmen des beleuchteten Oberflächenabschnitts bei verschiedenen Fokuslagen zu tätigen. Anschließend kann dann softwaretechnisch für den jeweiligen Teilabschnitt die beste Fokuslage und damit dessen Koordinate durch eine Kontrast- bzw. Schärfeauswertung der Bilder ermittelt werden. Diese Methode ist unter dem Begriff Fokusvariation bekannt.
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Alternativ kann auch konfokal mittels einer oder mehrere Blenden 8 die richtige Fokuslage bei der Fokusvariation ermittelt werden. Hierbei wird dann nicht auf die Schärfe des Bildes sondern auf dessen Intensität optimiert. Bei dieser alternativen konfokalen Messtechnik könnte es allerdings notwendig sein, eine oder mehrere variable und entlang der optischen Achse fahrbare Blenden 8 zu nutzen, um die optimale Position und den optimalen Durchmesser der Blende 8 in Abhängigkeit von der gewählten Fokuslage einzustellen. Solche Blenden sind aus der Digitalfotografie bekannt.
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Zu beachten ist noch, dass bei dem Sensor 30 der 1 selbst bei einem Tausch des Axikons 3 gegen ein anderes Axikon, welches Lichtstrahlen mit größerem Neigungswinkeln β erzeugt, dies zwar aufgrund β > α zu einem größeren Abstand h' = f·sinβ > h = f·sinα der Strahlen zur optischen Achse nachfolgend der Linse 5 führen würde, sich allerdings die Fokuslage des Sensors 30 hierdurch nicht ändern würde, da diese nur von der Brennweite der Linse 5 und eventuell auch zusätzlich von dem Abstand des Umlenkkonus 6a zum restlichen Sensor abhängt. D. h. mit anderen Worten, alle von einer Pupillenebene ausgehenden Strahlen sammeln sich in ein und derselben Feldebene, die mit großem Winkel in der Pupille sammeln sich bei einer großen Feldhöhe und die mir kleinem Winkel in der Pupille sammeln sich bei einer kleinen Feldhöhe. Es lässt sich jedoch nicht mit einer Variation der Winkel in der Pupille die Lage der Feldebene entlang der optischen Achse verschieben.
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Die 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines alternativen konfokalen Sensors 31a bzw. Beleuchtungsmoduls 41a, der bzw. das zusätzlich gegenüber dem Sensor 30 des Standes der Technik in 1 ein axial bewegliches Axikon 3 und ein gestrichelt dargestelltes diffraktives optisches Element 5f bzw. optisches Element mit einer Freiformoberfläche 5f aufweist. Das Beleuchtungsmodul 41a ist dabei der im unteren Teil der 2 dargestellte Teil des Sensors 31a. Die gestrichelt eingezeichneten Linie zwischen dem oberen Teil des Sensors 31a ab der Linse 9 aufwärts und dem Beleuchtungsmodul 41a ab der Blende 8 abwärts stellt dabei eine mögliche und sinnvolle Trennebene zwischen diesen beiden Teilen des Sensors 31a dar. In dieser Ebene kann eine Wechselschnittstelle zum Einwechseln bzw. Ankoppeln verschiedener Beleuchtungsmodule an den Sensor 31a vorgesehen sein. Diese wechselbaren Beleuchtungsmodule können dabei auf verschiedenen eingangs erwähnten Messtechniken basieren, entsprechend den 3 bis 5 ausgeführt oder für verschiedene Messaufgaben angepasst sein. Die 3 bis 5 weisen entsprechende Trennebenen zum Einwechseln bzw. Ankoppeln verschiedener Beleuchtungsmodule an alternative Sensoren auf. Die 6 zeigt hingegen ein alternatives Beleuchtungsmodul 41e, welches zum Einwechseln bzw. Ankoppeln an den Sensor 31e mit einer alternativen Trennebene vorgesehen ist.
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Zunächst wird nachfolgend ohne Berücksichtigung des gestrichelt dargestellten Elements 5f im Rahmen der 2 erläutert, was passiert, wenn das Axikon 3 bei einem Sensor 30 des Standes der Technik von seiner in der 1 dargestellten Position um den in der 2 dargestellten Verschiebevektor a axial in Richtung der Lichtquelle 1 versetzt wird. Durch diese Verschiebung des Axikons 3 ändert sich die Neigung der Strahlen nicht. D. h. die Strahlen starten an der ehemaligen Position des Axikons 3 und damit in der Pupille nach wie vor mit der gleichen Neigung zur optischen Achse. Allerdings ist das Ringbündel bei dem um den Vektor a verschobenen Axikon 3 jetzt in der Pupille lateral aufgeweitet, d. h., die Orte der Strahlen des Ringbündels in der Pupille befinden sich weiter von der optischen Achse entfernt als in 1. Dies ist in der 2 dadurch graphisch dargestellt, dass die Strahlen der Axikonspitze, welche in der 1 noch den äußeren Rand des Ringbündels auf der nachfolgenden Linse 5 gebildet haben, in der 2 nun den inneren Rand des Ringbündels auf der nachfolgenden Linse 5 darstellen. Somit durchläuft das Ringbündel in der 2 einen weiter außen liegenden Bereich der Linse 5 als in der 1.
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Grundsätzlich treffen sich Strahlen gleicher Neigung in der Pupille bei idealen Linsen gemäß der Fourier-Beziehung am gleichen Feldpunkt. Eine reelle Linse hingegen weicht von diesem Ideal jedoch aufgrund ihrer Bildfehler leicht ab, insbesondere der Bildfehler der sphärischen Aberration ist dafür verantwortlich, dass Lichtstrahlen, welche eine Linse weiter außen treffen sich in einem Brennpunkt mit einem geringeren Abstand zur Linse sammeln. Diese Brennpunkt-Abweichung der reellen Linse 5 von einer idealen Linse aufgrund der sphärischen Aberration ist in der 2 als eine Verschiebung der Fokuslage durch den Vektor b repräsentiert. Mit Hilfe dieser veränderten Fokuslage wäre es dann möglich, ein anderes Bohrloch 7 mit einem geringeren Durchmesser zu vermessen. Ein solches Bohrloch ist in der 2 gestrichelt dargestellt. Entsprechend der zum Sensor 30 hin verkürzten Fokuslage reduziert sich auch der Durchmesser des Bohrlochs auf dem Detektor 10 um den Vektor c. Der Vektor c ist dabei in den Figuren übertrieben groß und daher nicht maßstabsgerecht dargestellt.
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Allerdings ist die Linse 5 bei dem optischen Sensor 30 und bei dem optischen Sensor 31a auch für die Abbildung auf den Detektor 10 vorgesehen und damit dahingehend optisch ausgewählt, dass sie keine große sphärische Aberration aufweist, welche die Abbildung und die Datenerfassung auf dem Detektor 10 erschweren würde. Somit ist der in der 2 stark überzogen dargestellte Fokuseffekt der Linse 5 bei dem Sensor 30 des Standes der Technik zum Beispiel nicht ausreichend, um die für die Vermessung eines Innengewindes notwendige Variation von mehreren Millimeter in der Fokuslage ausschließlich durch eine Veränderung der Position des Axikons 3 bereitzustellen.
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Allerdings ist es möglich, diese Variation der Fokuslage durch ein optisches Element 5f bereitzustellen, welches anstatt oder zusätzlich zur Linse 5 eine Variation der Fokuslage ermöglicht. Ein solches Element 5f kann nun ein diffraktives optisches Element (DOE) und/oder ein optisches Element mit einer Freiformoptik sein. Beide genannten optischen Elemente oder auch ein Element, welches beide genannten Eigenschaften vereint, sind bzw. ist in der Lage, abhängig von jeweiligen Auftreffort der Strahlen auf dem Element eine entsprechende Fokuslage bereitzustellen. Bei dem optischen Element mit Freiformoptik wäre es zum Beispiel denkbar, eine rotationssymmetrische asphärische Oberflächenform analog der für Spiegelteleskope bekannten Schmidtplatte zu wählen. Eine solche Schmidtplatte lässt sich kostengünstig herstellen. Auch Hologramme, insbesondere sogenannte Computer generierte Hologramme (CGH) werden im Rahmen dieser Anmeldung unter den Begriff diffraktive optische Elemente subsummiert.
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Der Sensor 31a bzw. das Beleuchtungsmodul 41a der 2 zeichnet sich somit dadurch aus, dass ein diffraktives optisches Element 5f und/oder ein optisches Element mit einer Freiformoberfläche 5f zumindest auf dem Hinweg des Lichts zur Oberfläche 7a des Werkstücks 7 zwischen der mindestens einen Lichtquelle 1 und der Oberfläche 7a des Werkstücks 7 angeordnet ist, wobei zwischen der mindestens einen Lichtquelle 1 und dem diffrativen optischen Element 5f und/oder dem optischen Element mit der Freiformoberfläche 5f ein bewegliches und/oder veränderbares optisches Element 3 angeordnet ist und wobei mit Hilfe des beweglichen und/oder veränderbaren optischen Elements 3 der Auftreffort des Lichts auf dem diffraktiven optischen Element 5f und/oder dem optischen Element mit der Freiformoberfläche 5f zumindest auf dem Hinweg von der mindestens einen Lichtquelle 1 zu der Oberfläche 7a des zu vermessenden Werkstücks 7 verändert werden kann.
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Die Fokusvariation beträgt dabei bei dem Sensor 31a bzw. dem Beleuchtungsmodul 41a zwischen 0,5 und 200 mm, um sowohl Innengewinde als auch Zylinderbohrungen innerhalb von Motorblöcken vermessen zu können. Entsprechende diffraktive optische Elemente 5f und/oder optische Elemente mit einer Freiformoptik 5f, die eine Brennweitenvariation von 200 mm aufweisen, sind ohne großen technologischen Aufwand für den sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Wellenlängenbereich herstellbar. Zum Beispiel sind Spritzgussformen zur Herstellung asphärischer Kunststofflinsen für Digitalkameras seit vielen Jahren bekannt.
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Als optisches Element mit einer Freiformoptik 5f werden auch toroidale optische Element wie zum Beispiel eine Ringlinse oder eine Anordnung mehrerer ineinander geschachtelter separater Ringlinsen verstanden. Dementsprechend kann ein optisches Element mit Freiformoptik 5f auch aus nebeneinander angeordneten einzelnen optischen Elementen bestehen, deren optisch wirksamen Flächen Teilabschnitte einer Freiformoberfläche darstellen.
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Alternativ zu einem in der 2 dargestellten Axikon 3 kann auch ein sogenanntes refraktives optisches Element eingesetzt werden, dessen Oberflächenparzellen entsprechend einer Fresnellinse lokal die Neigung der Axikonflächen nachbilden. Ferner kann die Funktionalität eines Axikons 3 auch durch ein diffraktives optisches Element nachgebildet werden. Beide genannten Alternativen sind jedoch mit erhöhten Herstellkosten verbunden.
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Die Auswertung der am Detektor 10 des erfindungsgemäßen Sensors 31a aufgenommenen Intensitätssignale kann entsprechend der oben im Zusammenhang mit dem Sensor 30 der 1 bereits besprochenen Methoden erfolgen. Hierbei kann insbesondere für konfokale Methoden eine Ringblende 8 statt der in der 2 dargestellten Blende 8 eingesetzt werden.
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Die 3 zeigt ein zweites alternatives und erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Sensors 31b bzw. eines Beleuchtungsmoduls 41b im Vergleich zu 1 bzw. 2 bei dem das axial bewegliche Axikon 3 gegen eine veränderbare Mehrfachspiegelanordnung (Multi-Mirror-Array, MMA) getauscht wurde. Diese Mehrfachspiegelanordnung MMA kann durch andere Winkelstellungen der einzelnen Mikro-Kippspiegel den Auftreffort auf dem optischen Element 5f und somit dessen Fokuslage variieren. Da Mehrfachspiegelanordnungen für Projektoren in ihrer Funktionsweise hinlänglich bekannt sind, wird auf eine eingehende Diskussion im Rahmen dieser Anmeldung verzichtet. Mehrfachspiegelanordnungen MMAs können als separate Einheiten kostengünstig von verschiedenen Herstellern inklusiver entsprechender Ansteuersoftware bezogen werden. Dabei könne diese für Projektoren vorgesehenen MMAs direkt auch für den Sensor 31b bzw. das Beleuchtungsmodul 41b eingesetzt werden, da die optischen Anforderungen an Baugröße, Kippwinkel, Größe der Mikrospiegel und Wellenlängen sich bei dem Sensor 31b bzw. dem Beleuchtungsmodul 41b nicht von denjenigen Anforderung eines Projektors zur Projektion eines Computerbildschirms auf eine Leinwand unterscheiden.
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Die 4 zeigt ein drittes alternatives Ausführungsbeispiel für einen Sensor 31c bzw. Beleuchtungsmodul 41c bei dem gegenüber der 3 die Funktion des optischen Elements 5f in die Oberflächenform des Umlenkelements 6f integriert wurde. Dieses Umlenkelement 6f hat eine Freiformoberfläche, deren Fokuslagen davon abhängig sind an welchen Auftrefforten beim Umlenkelement 6f die Strahlen umgelenkt werden.
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Insbesondere ein Umlenkelement 6f, bei dem die rotationssymmetrische und asphärische Freiformoberfläche mit einer die Symmetrieachse der Freiformoberfläche enthaltenen Ebene eine Schnittkurve aufweist und diese Schnittkurve zumindest Teilweise einem Kurvenabschnitt einer Spirale entspricht und die Spirale gegeben ist aus der Gruppe: Corny-, Euler- oder Klothoiden-Spirale, bietet die Möglichkeit, von kontinuierlich mit dem Auftreffort sich verändernden Fokuslagen. Spiralkurven weisen in der Regel sich kontinuierlich mit der Bogenlänge verändernde Krümmungen und damit kontinuierlich mit dem Auftreffort veränderliche Fokuslagen auf. Repräsentativ für diese vielen unterschiedlichen Fokuslagen sind in der 4 nur zwei unterschiedliche Fokuslagen mit den Vektoren b und B sowie die daraus resultierenden Ortsverschiebungen auf dem Detektor 10 mit den Vektoren c und C dargestellt.
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Allerdings kann die Freiformoberfläche statt an der Unterseite des transparenten Zylinders 6 in Form einer verspiegelten Oberfläche 6f als Umlenkelement auch an der Oberseite und/oder der Mantelfläche der Zylinders 6 ausgebildet sein. Alternativ kann die Fokusvariation auch durch ein an der Oberseite und/oder der Mantelfläche des Zylinders 6 ausgebildetes diffraktives optische Element realisiert werden. Ferner können entsprechend verschieden ausgebildete Zylinder 6 durch eine in den Figuren nicht dargestellte Wechselschnittstelle zwischen den Elementen 4 und 5 oder den Elemente 5 und 6 gegeneinander ausgewechselt werden. Darüber hinaus können mechanische Schutzhülsen für die Zylinder 6 vorgesehen werden. Bei der Verwendung von optisch transparentem Material für diese mechanischen Schutzhülsen können unterschiedliche Wandstärken und/oder unterschiedliche Brechungsindizes dieser Schutzhülsen zur weiteren Anpassung an unterschiedliche Bohrlochdurchmesser genutzt werden. Insofern sind entsprechend austauschbare Schutzhülsen zur weiteren adaptiven Anpassung denkbar.
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Für eine Vermessung von rotations-symmetrischen Bohrlöchern oder Innengewinden weist bei den optischen Sensoren der 2 bis 7 das diffraktive optische Element 5f eine rotationssymmetrische Beugungscharakteristik auf und/oder besitzt das optische Element mit einer Freiformoberfläche 5f; 6f eine rotationssymmetrische Freiformoberfläche, so dass bei einer Einstellung des beweglichen und/oder veränderbaren optischen Elements MMA; 3 dahingehend, dass die Auftrefforte des Lichts einen konstanten Abstand zur Symmetrieachse des diffraktiven optischen Elements 5f und/oder des optischen Elements mit Freiformoberfläche 5f; 6f aufweisen, der hieraus resultierende, zumindest teilweise bogenförmige, insbesondere ringförmig geschlossene Fokusbereich des Sensors zur Vermessung von Innenwänden 7a von Bohrungen oder Innengewinden des Werkstücks 7 einen konstanten radialen Abstand zum optischen Sensor aufweist.
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Vorteilhaft ist das optische Element mit Freiformoberfläche 6f in Form eines Zylinders 6 bei den optischen Sensoren bzw. Beleuchtungsmodulen der 4 bis 5 als Umlenkelement ausgebildet, dessen Unterseite mit einer Spiegelbeschichtung versehen ist und durch die Freiformoberfläche 6f gebildet wird. Die verspiegelte Freiformoberfläche 6f wird somit durch den sie umgebenden Zylinder 6 vor Kratzern und anderen Beschädigung bei Kollisionen mit dem Werkstück 7 ausreichend geschützt.
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Die 5 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines Sensors 31d bzw. Beleuchtungsmoduls 41d basierend auf der Weißlichtinterferometrie, ebenfalls bekannt als optisches Kohärenzradar oder OCT. Der Grundaufbau des in 5 gezeigten Sensors 31d entspricht dem in 4 gezeigten Sensor 31c. Eine Mehrfachspiegelanordnung MMA sorgt im Zusammenspiel mit einem Umlenkelement 6f mit Freiformoberfläche für eine Fokusvariation innerhalb des Bohrlochs 7. Allerding sorgt der Strahlteiler 4a bei dem Ausführungsbeispiel des Sensors 31d der 5 dafür, dass nur anteilig Licht von der Lichtquelle 1 kommend in den Detektionsstrahlengang in Richtung des Element 6f umgelenkt wird. Der restliche Teil des Lichts passiert den Strahlteiler 4a und gelangt somit in den Referenzstrahlengang in Richtung eines Referenzspiegels R. Hierbei ist anzumerken, dass aufgrund der Darstellung der 5 im DIN A4 Format der Referenzstrahlengang verkürzt gegenüber dem Detektionsstrahlengang dargestellt ist.
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Mit dem in 5 dargestellten Grundaufbau eines Michelson-Interferometers können im Zusammenhang mit einer Weißlichtquelle 1, zum Beispiel einer Superlumineszenz-Diode und eines, durch zum Beispiel Piezo-Aktuatoren in Lichtrichtung verstellbaren Referenzspiegels R die Intensitätssignale am Detektor 10 in Abhängigkeit von der Referenzspiegelposition ausgewertet werden. Dabei resultieren die Intensitätssignale des Detektors 10 aus einer Überlagerung des aus dem Referenzstrahlengang und dem Detektionsstrahlengang kommenden reflektierten Lichts durch den Strahlteiler 4a mittels der Linse 9. Stimmen die Lichtwege im Referenzstrahlengang und im Detektionsstrahlengang überein, so ergibt sich eine konstruktive Interferenz des Lichts und damit ein Intensitätssignal am Detektor. Mit zunehmendem Weglängenunterschied Δz zwischen dem Detektionsstrahlengang und dem Referenzstrahlengang nimmt dieses Intensitätssignal am Detektor jedoch ab. Mit dem in der 5 dargestellten optischen Sensor 31d kann folglich das zusammengesetzte Signal am Detektor 10 als Interferenzsignal im Zeitbereich (englisch time domain, TD) in Abhängigkeit mit dem zeitlich variierenden Abstand des Referenzspiegels R zum Strahlteiler 4a analysiert werden. Der Referenzspiegel R wird hierzu zum Beispiel durch Piezo-Aktuatoren zu Schwingungen um seine Nullposition angeregt und das entsprechende Interferenzsignal wird in Abhängigkeit der Position des Spiegels ermitteln. Die Nullposition des Referenzspiegels R kann dabei durch die Piezo-Aktuatoren oder weitere zusätzliche Aktuatoren auf die jeweils eingestellte Fokuslage abgestimmt werden. Ferner ist es denkbar, alternativ einen rotationsymmetrisch gestuften Referenzspiegel zu verwenden, wobei jede Stufe einer anderen Fokuslage entspricht.
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Alternativ zu dem in 5 dargestellten Grundaufbau kann bei feststehendem Referenzspiegel R der optische Sensor 31d zwischen dem Strahlteiler 4a und dem Detektor 10 auch Mittel zur spektralen Trennung des zusammengesetzten Signals aufweisen, so dass am Detektor 10 das zusammengesetzte Signal als ein in mehrere spektrale Kanäle zerlegtes Interferenzsignal (englisch frequency domain, FD) analysiert werden kann. Hierzu kann der Detektor 10 in mehrere Bereiche unterteilt sein, die für unterschiedliche Wellenlängen die unterschiedlichen Interferenzsignal aufnehmen oder es können mehrere Detektoren 10 nebeneinander oder auch räumlich zueinander versetzt zum Einsatz kommen. Durch die Analyse verschiedener Interferenzsignale bei verschiedenen Wellenlängen kann ermittelt werden, welche Wellenlänge bei dem feststehenden Referenzspiegel R zu einer entsprechenden Interferenz geführt hat. In der Regel wird hierzu eine Fourier-Transformation des Frequenzspektrums durchgeführt, um daraus die entsprechende Rauminformation zu erhalten. Hieraus lässt sich dann auf die Länge des Detektionsstrahlengangs und damit auf den Abstand der zu vermessenden Oberfläche schließen.
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Zu den weiterführenden Details der Messmethoden TD-OCT und FD-OCT wird auf Fachliteratur und insbesondere im Zusammenhang mit der Koordinatenmesstechnik auf die Offenlegungsschriften
DE 10 2004 012 426 A1 und
US 2010/0312524 A1 sowie die dort zitierten Referenzen verwiesen.
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Neben dem Einsatz des in der 5 dargestellten Sensors 31d für TD-OCT und FD-OCT ist auch ein Einsatz des Sensors 31d im Rahmen der sogenannten Differentialmikroskopie möglich. Dazu muss der Referenzspiegel R räumlich ansteuerbar ausgelegt sein und bevorzugt ebenso viele Spiegelelemente enthalten wie der Detektor 10 Detektorelemente aufweist. Mit einem solchen Sensor 31d ist es dann möglich, die Oberflächeninformation eines Musterwerkstücks derart mit dem Referenzspiegel vorzuhalten, dass die räumlich Abweichung eines später zu vermessenden Werkstücks hiervon als zweidimensionales Interferenzsignal detektiert werden kann. Ein solcher Sensor ist für die schnelle und hochauflösende Inspektion sehr vorteilhaft und ist zur online bzw. inline-Inspektion innerhalb von Fertigungsstraßen einsetzbar.
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Die
6 zeigt ein weiteres alternatives und erfindungsgemäßes Beleuchtungsmodul
41e für einen Sensor
31e. Das Beleuchtungsmodul
41e der
6 ist im Unterschied zu den wechselbaren Beleuchtungsmodule der
2 bis
5 und
7 nachrüstbar gestaltet, so dass dieses an bereits bestehende optische Systeme angeschlossen werden kann. Das in
6 dargestellte Beleuchtungsmodul
41e unterscheidet sich gegenüber den in den
2 bis
5 und
7 dargestellten Beleuchtungsmodulen darin, dass es nicht die Linse
5 enthält und somit der restliche Teil des Sensors
31e mit der Linse
5 auch ohne das Beleuchtungsmodul ein vollständiges optisches System zur optischen Vermessung von Werkstücken bildet. Damit ist das in
6 dargestellte Beleuchtungsmodul
41e an bereits vorhandene optische Systeme ankoppelbar, um diese Systeme mit einer Funktionalität zur Vermessung von Bohrlöchern oder Innengewinden auszustatten bzw. nachzurüsten. Entsprechende optische Systeme sind zum Beispiel in den Veröffentlichungen
WO 2014/023332 A1 und
WO 2014/023780 A1 offenbart. Zur Ankopplung weist das Beleuchtungsmodul
41e eine nicht näher dargestellte Wechselschnittstelle auf, mit der es an bestehende optische Systeme manuell oder automatisiert angekoppelt werden kann. Diese Wechselschnittstelle kann entsprechend der Wechselschnittstelle der Beleuchtungsmodule bzw. Sensoren der
2 bis
5 und
7 ausgeführt sein. Entsprechende Wechselschnittstellen sind zum Beispiel aus der Offenlegungsschrift
WO 2013/167167 A1 bekannt. Es versteht sich, dass das in
6 dargestellte Beleuchtungsmodul
41e nicht auf die dargestellte Bauform beschränkt ist, sondern jede im Zusammenhang mit den
2 bis
5 diskutierte Bauform eines Beleuchtungsmoduls und insbesondere auch eine erfindungsgemäße Bauform entsprechend dem Beleuchtungsmodul
41f bzw. Sensors
31f der
7 aufweisen kann.
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Die 2 bis 7 offenbaren folglich Beleuchtungsmodule 41a bis 41f für einen optischen Sensor 31a bis 31f zur Erfassung von Oberflächenkoordinaten eines Werkstücks 7 mittels eines Koordinatenmessgeräts umfassend mindestens eine Lichtquelle 1 sowie optische Elemente 2, MMA; 3, 4; 4a; 5; 6, 6a; 6f zur Führung des Lichts einerseits auf dem Hinweg von der mindestens einen Lichtquelle 1 auf die Oberfläche 7a des zu vermessenden Werkstücks 7 und andererseits auf dem Rückweg von der Oberfläche 7a des zu vermessenden Werkstücks 7 zu mindestens einem Detektor 10 des optischen Sensors 31a bis 31f, wobei einige der genannten optischen Elemente 4; 4a; 5; 6, 6a; 6f sowohl für die Strahlführung auf dem Hinweg als auch für die Strahlführung auf dem Rückweg genutzt werden und wobei mindestens eines dieser genannten optischen Elemente 6a; 6f ein Umlenkelement 6a; 6f ist, das auf dem Hinweg für eine Umlenkung des Lichts auf die Oberfläche 7a des zu vermessenden Werkstücks 7 und auf dem Rückweg für eine Umlenkung des Lichts zu dem mindestens einen Detektor 10 sorgt, wobei auf dem Hinweg durch das Umlenkelement 6a; 6f der Fokusbereich des Sensors 31a bis 31f zumindest teilweise bogenförmig ausgebildet wird und wobei ein diffraktives optisches Element 5f und/oder ein optisches Element mit einer Freiformoberfläche 5f; 6f zumindest auf dem Hinweg des Lichts zur Oberfläche 7a des Werkstücks 7 zwischen der mindestens einen Lichtquelle 1 und der Oberfläche 7a des Werkstücks 7 angeordnet ist, wobei zwischen der mindestens einen Lichtquelle 1 und dem diffrativen optischen Element 5f und/oder dem optischen Element mit der Freiformoberfläche 5f; 6f eine bewegliches und/oder veränderbares optisches Element MMA; 3 angeordnet ist und wobei mit Hilfe des beweglichen und/oder veränderbaren optischen Elements MMA; 3 der Auftreffort des Lichts auf dem diffraktiven optischen Element 5f und/oder dem optischen Element mit der Freiformoberfläche 5f; 6f zumindest auf dem Hinweg von der mindestens einen Lichtquelle 1 zu der Oberfläche 7a des zu vermessenden Werkstücks 7 verändert werden kann.
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Es versteht sich, dass bei allen Sensoren 31a bis 31f bzw. Beleuchtungsmodulen 41a bis 41f der 2 bis 7 ein bewegliches Axikon 3 statt einer veränderbaren Mehrfachspiegelanordnung MMA zur Variation der Lichtstrahlauftrefforte und umgekehrt eine veränderbare Mehrfachspiegelanordnung MMA statt einem bewegliche Axikon 3 eingesetzt werden kann.
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Darüber hinaus versteht es sich, dass bei den Sensoren 31a; 31b; 31c; 31e und 31f bzw. Beleuchtungsmodulen 41a; 41b; 41c; 41e und 41f alternativ zu der bei dem Ausführungsbeispiel der 5 beschriebenen Superlumineszenz-Diode auch Laser, LED (UV, VIS, IR), Glüh-, Halogen- oder (Kurz-)Bogenlampen als Lichtquelle 1 eingesetzt werden können. Durch die Verwendung einer breitbandigen Lichtquelle lässt sich auch ein gezielter chromatische Längsfehler der verwendeten Optik bei den Sensoren 31a; 31b; 31c; 31e und 31f bzw. Beleuchtungsmodulen 41a; 41b; 41c; 41e und 41f dahingehend für eine konfokale Messtechnik verwenden, dass Aufnahmen von Bildern mit Farbauszügen oder auch durch pixelweise Farbmessung mit entsprechenden Sensoren ausgeführt werden.
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Mit Hilfe der in den 2 bis 7 dargestellten Sensoren und Beleuchtungsmodulen lassen sich Bohrlöcher und insbesondere Innengewinde eines Werkstücks 7 mittels eines Koordinatenmessgeräts vermessen, indem in einem ersten Schritt der Sensor bzw. das Beleuchtungsmodul durch das Koordinatenmessgerät an eine gewünschte Position innerhalb des Bohrlochs bzw. Innengewindes des Werkstücks 7 verfahren wird und indem in einem zweiten Schritt mit Hilfe eines beweglichen und/oder veränderbaren optischen Elements MMA; 3 des Sensors bzw. des Beleuchtungsmoduls der Auftreffort des Lichts der mindestens einen Lichtquelle 1 auf einem diffraktiven optischen Element 5f und/oder einem optischen Element mit der Freiformoberfläche 5f; 6f des Sensors bzw. des Beleuchtungsmoduls zumindest auf dem Hinweg von der mindestens einen Lichtquelle 1 zu der Oberfläche 7a des zu vermessenden Werkstücks 7 derart verändert wird, dass die zur Vermessung vorgesehenen Teilbereiche der Oberfläche 7a des Werkstücks in den Fokusbereich des Sensors bzw. Beleuchtungsmoduls gelangen.
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Dabei werden in einem dritten Schritt Intensitätssignale aus dem Fokusbereich des Sensors bzw. des Beleuchtungsmoduls von einem flächenmäßig zur Erfassung von Intensitätssignalen ausgebildetem Detektor 10 in Abhängigkeit der Stellung des beweglichen und/oder veränderbaren optischen Elements MMA; 3 des Sensors bzw. des Beleuchtungsmoduls und/oder in Abhängigkeit der Stellung eines in seiner Normalenrichtung beweglichen Referenzspiegels R des Sensors bzw. Beleuchtungsmoduls und/oder in Abhängigkeit der Frequenz bzw. Wellenlänge des von dem Detektor 10 erfassten Lichts ermittelt.
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Hierbei kann der zweite Schritt für einen in seinem lateralen Abstand zum Sensor bzw. Beleuchtungsmodul veränderten Fokusbereich bei der Beibehaltung der im ersten Schritt angefahrenen Position oder der erste Schritt für eine andere gewünschte Position innerhalb des Innengewindes bei der Beibehaltung der im zweiten Schritt eingestellten Stellung des beweglichen und/oder veränderbaren optischen Elements MMA; 3 des Sensors bzw. Beleuchtungsmoduls solange wiederholt durchgeführt werden, bis in dem sich jedes Mal anschließenden dritten Schritt die vollständige Information über die Oberflächendaten des zu vermessenden Abschnitts des Innengewindes vorliegt. Diese Oberflächendaten können dann anschließend durch bekannte Segmentierungstechniken von 3D Punktewolken zur Bestimmung der Geometrie des Messobjektes in die entsprechenden Geometrieelemente wie zum Beispiel Kreis, Ellipse, Zylinder, Ellipsoid usw. zerlegt werden. Darüber hinaus ist es möglich, die aus den Daten gewonnenen Erkenntnisse hinsichtlich der Dezentrierung oder Neigung der Sensorachse in Bezug zur Bohrlochachse bei schnell nachsteuerbaren Elementen wie der Mehrfachspiegelanordnung MMA dahingehend zu nutzen, die Fehlstellung der Sensor- zur Bohrlochachse online optisch zu korrigieren.
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Insbesondere für Innengewinde, bei denen zum Beispiel bei Metrischen ISO-Gewinden die Differenz von Kern- und Außendurchmesser (Nenndurchmesser) zwischen 0,3 mm (bei M1) und 7 mm (bei M64) beträgt, ist es notwendig, sowohl einen Scan entlang der Achse des Innengewindes, als auch einen Fokusscan über verschiedene Durchmesser bzw. Fokuslagen mit dem Sensor bzw. dem Beleuchtungsmodul durchzuführen, um die vollständige Oberflächeninformation des Innengewindes hinsichtlich des Gewindegangs, der Gewindeflanken und der Gewindetiefen zu erhalten. Aufgrund der großen Differenz von Kern- und Außendurchmesser (Nenndurchmesser) bei Innengewinden ist es in der Regel nicht möglich, mit nur einer Fokuslage für eine Vermessung zu arbeiten. Es versteht sich, dass der Scan entlang der Achse durch die Positionsänderung des Sensors bzw. des Beleuchtungsmoduls mittels des Koordinatenmessgeräts und der Fokusscan des Sensors bzw. Beleuchtungsmoduls unabhängig voneinander und in einer beliebigen Kombination miteinander durchgeführt werden können, um eine vollständige Information über die Oberflächenkoordinaten des Innengewindes zu erhalten.
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Es versteht sich ferner, dass das Verfahren bzw. die Sensoren anhand von Gewindenormalen kalibriert bzw. referenziert und/oder auf ein Normal zurückgeführt werden können. Dazu werden Werkstücke mit mehreren genau bekannten Innengewinden auf dem Messtisch eines Koordinatenmessgeräts platziert und es wird das Verfahren mittels der Sensoren durchgeführt und die erfassten Maße des Innengewindes werden anhand der bekannten Maße der Innengewinde kalibriert.
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Die 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensor 31f bzw. eines erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls 41f, bei dem zusätzlich zu dem in 2 dargestellten Sensor 31a (Beleuchtungsmodul 41a) mindestens ein erstes optische Element 3 Mittel zur Erzeugung von mindestens zwei zur optischen Achse geneigten Ringbündel des Lichts aufweist, wobei die geneigten Ringbündel rotations-symmetrisch zur optischen Achse geneigt sind und der Neigungswinkel der Ringbündel zueinander unterschiedlich ist und wobei das mindestens eine erste optische Element 3 und/oder ein weiteres zweites optisches Element 5f zur Führung des Lichts auf dem Hinweg von der Lichtquelle 1 in Richtung des Umlenkelements 6a Mittel zur Brechung und/oder Beugung des Lichts aufweisen, wobei mindestens zwei dieser Mittel zueinander unterschiedliche Brechkraft und/oder unterschiedliche Beugungswirkung aufweisen, so dass im Zusammenspiel der genannten Mittel zur Erzeugung von Ringbündeln und der genannten Mittel zur Brechung und/oder Beugung mit dem Umlenkelement 6a mindestens zwei räumlich voneinander getrennte, zumindest teilweise bogenförmig ausgebildete Fokusbereiche des Beleuchtungsmoduls 41f vorliegen. Dabei zeigt die 7 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls 41f bzw. Sensors 31f, bei dem das Axikon 3 alle genannten Mittel in sich vereinigt. Dazu weist die Vorderseite des Axikons 3 der 7 mindestens zwei zueinander geneigte konische Flächen auf, wodurch es zu einem Doppelaxikon 3 wird und wodurch es das von der Lichtquelle 1 kommende Licht in zwei zueinander geneigte Ringbündel zerlegt. In der 7 ist dabei lediglich der Strahlengang des inneren der beiden Bündel der Übersichtlichkeit halber durchgehend bis zum Umlenkelement 6a und von da aus durchgehend bis zum Detektor 10 dargestellt. Der Strahlengang des äußeren Ringbündels ist hingegen nur durch kurze Striche bzw. gestrichelt am Doppelaxikon 3, am Umlenkelement 6a und am Detektor 10 angedeutet. Ferner ist zu beachten, dass beim inneren Ringbündel auch nur ein innerer Teil des Bündels in der 7 dargestellt ist, da ansonsten die Darstellung des äußeren Ringbündels wegen Überdeckung nicht sinnvoll möglich ist.
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Es ist in der 7 zu erkennen, dass das äußere Ringbündel nach dem Doppleaxikon 3 einen größeren Neigungswinkel aufweist als das innere Bündel, wodurch es auch auf dem Umlenkelement 6a und am Detektor 10 mit einer größeren Distanz zur optischen Achse auftrifft. Damit nun das äußere Ringbündel im Vergleich zu dem inneren Ringbündel einen Fokusbereich mit einem größeren Abstand zum Beleuchtungsmodul bilden kann, muss dieses äußere Ringbündel durch eine geringere Brechkraft und/oder Beugung fokussiert werden als das innere Ringbündel.
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Hierzu weist das in 7 dargestellte Doppelaxikon 3 auf der Rückseite einen Oberflächenabschnitt auf, der sich durch den Oberflächenabschnitt eines Torus beschreiben lässt. D. h. mit anderen Worten, das Doppelaxikon 3 besitzt auf seiner Rückseite eine Ringlinse für die Fokussierung des äußeren Ringbündels, wobei diese äußere Ringlinse eine geringere Brechkraft aufweist als die Zentrallinse des Doppelaxikons 3 in der Mitte der Rückseite für die Fokussierung des inneren Ringbündels. Dadurch entstehen bei dem Umlenkelement 6a zwei zumindest teilweise bogenförmig ausgebildete Fokusbereiche mit unterschiedlichem Abstand zum Umlenkelement 6a. Die Differenz dieser Abstände der beiden Fokusbereiche ist in der 7 durch den gestrichelt gezeichneten Versatz der Bohrlochinnenwand 7a um den Vektor b dargestellt. Zusätzlich sind die beiden Fokusbereiche auch in ihrer Höhenlage durch die unterschiedlichen Auftrefforte des äußeren und inneren Ringbündels am Umlenkelement 6a voneinander getrennt.
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Bei der Vermessung eines Bohrloch, welches zum Beispiel zwei unterschiedliche Durchmesser in verschiedenen Höhen aufweist, oder eines Innengewindes, welches einen Kern- und einen Außendurchmesser aufweist, kann der in 7 dargestellte Sensor 31f zur Vermessung dieser Durchmesser eingesetzt werden, sofern die zu vermessenden Durchmesser in etwa den Durchmessern der beiden Fokusbereiche entsprechen. Zum Beispiel kann der Kerndurchmesser eines Innengewindes eines Werkstücks 7 dem gestrichelten Verlauf der in 7 dargestellten Oberfläche 7a und der Außendurchmesser eines Innengewindes dem durchgezogen dargestellten Verlauf der Oberfläche 7a des Werkstücks 7 entsprechen. Hierdurch können Messwerte von beiden Durchmessern durch die beiden Fokusbereiche des Sensor 31f mittels des Detektors 10 erfasst werden. Entsprechend ist in der 7 der Differenzvektor c für die unterschiedlichen Abstände der Intensitätssignale aus beiden Fokusbereichen am Detektor 10 in Bezug zur optischen Achse eingezeichnet.
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Es versteht sich, dass das Beleuchtungsmodul 41f an der gestrichelt eingezeichneten Trennebene eine Wechselschnittstelle entsprechend den Beleuchtungsmodulen 41a bis 41d der 2 bis 5 zum Sensor 31f aufweisen kann, damit unterschiedliche Beleuchtungsmodule bzw. auf unterschiedliche Durchmesser abgestimmte Beleuchtungsmodule am Sensor 31f eingewechselt werden können. Ferner kann das erfindungsgemäße Beleuchtungsmodul 41f bzw. der erfindungsgemäße Sensor 31f derart hinsichtlich der Wechselschnittstelle ausgelegt sein, dass entsprechend dem erfindungsgemäßen Beleuchtungsmodul 41e bzw. Sensor 31e der 6 das Beleuchtungsmodul 41f nachrüstbar zu einem bereits bestehenden optischen Sensor eines Koordinatenmessgeräts ausgeführt ist.
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Darüber hinaus ist es möglich, das Doppelaxikon 3 wechselbar auszuführen, so dass dieses zum gleichzeitigen Wechsel der beiden Durchmesser gegen ein anderes Doppelaxikon getauscht werden kann. Entsprechend können mehrere Axikons z. B. auf einem großen Dreh- bzw. Wechselrad gehaltert werden, wobei immer nur eines davon entsprechend einem Revolvermechanismus in den Strahlengang eingeführt wird. Ferner kann auch eine Mehrfachspiegelanordnung MMA entsprechend der 3 bis 6 statt einem Doppelaxikon 3 bei dem erfindungsgemäßen Beleuchtungsmodul 41f bzw. Sensor 31f der 7 als ein erstes optisches Element zur Führung des Lichts auf dem Hinweg von der Lichtquelle 1 in Richtung des Umlenkelements 6a eingesetzt werden. Zur Erzeugung von mindestens zwei zur optischen Achse geneigten Ringbündel des Lichts müssen hierbei lediglich zwei verschiedene Kippwinkel in Bezug zur optischen Achse bei den Mikrospiegeln der Mehrfachspiegelanordnung MMA eingestellt werden.
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Es versteht sich, dass auch andere Mittel zur Fokussierung statt einer Ringlinse am Doppelaxikon 3 genutzt werden können. Insbesondere Mittel zur Brechung und/oder Beugung des Lichts, welche zumindest Teilweise bestehen aus der Gruppe: Ring- bzw. Toroid-Linsen, Fresnell-Linsen, Zylinderlinsen, Mikrolinsen, Wabenkondensatoren und diffraktive optische Elemente (DOE), sind hierfür geeignet. Es versteht sich ferner, dass diese Mittel nicht notwendiger Weise auf oder am Doppelaxikon 3 angeordnet sein müssen.
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Insbesondere ein in der 7 gestrichelt dargestelltes weiteres zweites optisches Element 5f kann diese Mittel statt dem Doppelaxikon 3 aufweisen. Diese optisches Element 5f entsprechend der 2, 3 und 6 ist somit als ein weiteres zweites optisches Element zur Führung des Lichts auf dem Hinweg von der Lichtquelle 1 in Richtung des Umlenkelements 6a anzusehen, welches Mittel zur Brechung und/oder Beugung des Lichts aufweist, wobei mindestens zwei dieser Mittel zueinander unterschiedliche Brechkraft und/oder unterschiedliche Beugungswirkung aufweisen. Diese mindestens zwei Mittel mit zueinander unterschiedlicher Brechkraft und/oder unterschiedlicher Beugungswirkung müssen dabei nicht zwingend in Form zweier sichtbar getrennter Mittel am zweiten optischen Element 5f vorliegen, sondern können auch durch zwei unterschiedliche Auftrefforte bzw. zwei separate, unterschiedliche Auftreffbereiche von Licht auf einem ansonsten kontinuierlich ausgelegten zweiten optischen Element 5f ausgebildet sein, wobei das zweite optische Element 5f an den Auftrefforten bzw. Auftreffbereichen unterschiedliche optische Eigenschaften aufweist. Wie bei einer Gleitsichtbrille, welche zwei Mittel mit zueinander unterschiedlicher Brechkraft aufweist, im oberen Bereich für die Fernsicht und im unteren Bereich für die Nahsicht, kann das zweite optische Element 5f der 2, 3, 6 und 7 in unterschiedlichen Zonen mit unterschiedlichem Abstand zur optischen Achse unterschiedliche Brechkräfte und/oder unterschiedliche Beugungswirkungen als solche mindestens zwei Mittel aufweisen.
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Dementsprechend kann das diffraktive optische Element 5f bzw. das optische Element mit einer Freiformoptik 5f der 2, 3, 6 und 7 auch mit einem axial beweglichen Doppelaxikon 3 der 7 zusammenwirken, um eine gleichzeitige Variation der beiden Fokusbereiche zu bewirken. Diese gleichzeitige Variation der beiden Fokusbereiche des erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls 41f bzw. Sensors 31f durch das axial bewegliche Doppelaxikon 3 der 7 entlang des Verschiebevektors a erfolgt analog zu der im Zusammenhang mit der 2 beschriebenen Variation eines Fokusbereichs durch ein axial bewegliches Axikon 3 im Zusammenspiel mit dem diffraktiven optischen Element 5f bzw. dem optischen Element mit Freiformoptik 5f der 2. Dementsprechend lässt sich auch ein axial bewegliches Doppelaxikon 3 der 7 analog einem axial beweglichen Axikon 3 der 2 gegen eine Mehrfachspiegelanordnung MMA austauschen, wodurch die Beleuchtungsmodule 41b und 41e bzw. die Sensoren 31b und 31e der 3 und 6 ebenso wie das in 7 dargestellte Beleuchtungsmodul 41f bzw. der Sensor 31f dazu geeignet sind, zwei Fokusbereiche auszubilden, die gleichzeitig variiert werden können.
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Somit stellen die Beleuchtungsmodule 41b und 41e bzw. die Sensoren 31b und 31e der 3 und 6 weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar, wobei die Mehrfachspiegelanordnung MMA das erste optische Element mit Mitteln zur Erzeugung geneigter Ringbündel und das diffraktive optische Element 5f bzw. das optische Element mit einer Freiformoberfläche 5f das zweite optische Element mit Mitteln zur Brechung und/oder Beugung des Lichts darstellen. Durch das Zusammenspiel von Mehrfachspiegelanordnung MMA und dem diffraktiven optischen Element 5f bzw. dem optischen Element mit Freiformoptik 5f sind dann auch Fokusänderungen der beiden Fokusbereiche möglich, so dass die erfindungsgemäßen Beleuchtungsmodule bzw. Sensoren hierdurch beim Vermessen bzw. Scannen eines Innengewindes an den vorliegenden Kerndurchmesser und den vorliegenden Außendurchmesser angepasst werden können. Die einzelnen Verfahrensschritte beim Anpassen der beiden Fokusbereiche entsprechen dabei den Verfahrensschritten beim Anpassen eines Fokusbereichs, wie sie nachfolgend der Figurenbeschreibung zu 6 wiedergegeben sind.
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In einer in den 3, 6 und 7 nicht dargestellten Ausführungsform weist das Umlenkelement 6a mindestens zwei zueinander geneigte und auf eine gemeinsame Symmetrieachse bezogene, konische Flächen auf, um den Blickwinkel wenigstens eines der beiden Fokusbereiche auf die Oberfläche 7a des Werkstücks 7 zu ändern. Dabei können die mindestens zwei zueinander geneigten Flächen einen Winkel von größer als 20° zwischen ihren Flächennormalen aufweisen. Insbesondere bei einer für die Vermessung von Innengewinden besonders angepassten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls, wobei das Umlenkelement 6a mindestens drei zueinander geneigte und auf eine gemeinsame Symmetrieachse bezogene, konische Flächen aufweist und wobei die mindestens zwei zueinander geneigten Flächen einen Winkel von größer als 5° zwischen ihren Flächennormalen aufweisen, ist es möglich, nicht nur den Kern- und Außendurchmesser eines Innengewindes zu erfassen, sondern auch gleichzeitig die Gewindeflanken zu vermessen. Dazu müssen allerdings zwei Fokusbereiche zusätzlich zu den beiden in 7 dargestellten Fokusbereiche senkrecht auf die beiden Gewindeflanken des Innengewindes gerichtet werden, ein Fokusbereich auf die obere Gewindeflanke und ein Fokusbereich auf die untere Gewindeflanke. Dazu muss dann das Umlenkelement 6a entsprechende Kegel- bzw. Konusabschnitte mit entsprechenden Neigungswinkeln aufweisen. Darüber hinaus muss ein erstes optisches Element auf dem Hinweg zwischen Lichtquelle 1 und Umlenkelement 6a für die Erzeugung von vier Ringbündeln unterschiedlicher Neigung sorgen, so dass diese vier Ringbündel nahezu parallel zur optischen Achse aber in vier Ringzonen getrennt auf das Umlenkelement 6a einfallen, so dass durch die verschiedenen Konusse des Umlenkelement 6a diese Ringbündel senkrecht auf die jeweiligen Oberflächen des Innengewindes gelenkt werden können. Die von den Oberflächen des Innengewindes reflektierten Strahlen nehmen dann nahezu die gleiche Wege für den Rückweg zum Detektor ein, so dass diese Strahlen nach der Umlenkung durch das Umlenkelement 6a auch wieder in nahezu vier separaten Zonen vorliegen, welche auf den Detektor 10 abgebildet werden.
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Es versteht sich, dass bei den erfindungsgemäßen Beleuchtungsmodulen bei mehr als zwei zueinander geneigten konischen Flächen des Umlenkelements es jedoch genügt, wenn wenigstens eine der Flächen zu den jeweils anderen geneigt ist. Bei der Vermessung eines Innengewindes mit drei oder vier zueinander geneigten konischen Flächen ist es zur Vermessung des Kerndurchmessers und des Außendurchmessers sinnvoll, wenn zwei der vier Flächen gleich geneigt sind bzw. aus einer Fläche bestehen und diese beiden Flächen bzw. diese Fläche nur jeweils zu den restlichen beiden Flächen für die obere und die untere Gewindeflanke geneigt sind bzw. ist.
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In einer ebenfalls in den 3, 6 und 7 nicht dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungsmodulen 41b, 41e und 41f sendet die Lichtquelle 1 mindestens zwei unterschiedliche Wellenlängen aus, deren Wellenlängen sich um wenigstens 50 nm unterscheiden. Dabei weisen die Beleuchtungsmodule 41b, 41e und 41f einen Farblängsfehler für diese beiden Wellenlängen auf, der zwischen 10 μm und 1 mm beträgt. Hierdurch ist es möglich, den in den 3, 6 und 7 dargestellten Durchmesser der Fokusbereiche je nach Wellenlänge entweder zu vergrößern oder zu verkleinern, so dass auch Bohrlöcher bzw. Innengewinde vermessen werden können, deren Durchmesser gerade außerhalb der in den Figuren dargestellten Fokusbereiche liegen. Insofern ist durch die Ausnutzung oder die gezielte Herbeiführung eines Farblängsfehlers der Beleuchtungsmodule 41b, 41e und 41f eine Erweiterung des nutzbaren Messbereichs an Durchmessern möglich. Dies setzt allerdings voraus, dass der Detektor 10 entsprechend farbaufgelöst die Intensitätssignale der wenigsten zwei, zumindest teilweise bogenförmig ausgebildeten Fokusbereiche verarbeiten kann.
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Darüber hinaus ist der Einsatz von Blendenelementen z. B. über schaltbare Transmissions-(beispielsweise LCD-Elemente) oder Polarisationsfilter zur Elimination von Streu- oder Falschlicht bei den erfindungsgemäßen Beleuchtungsmodulen 41b, 41e und 41f bzw. Sensoren 31b, 31e und 31f denkbar.
