DE102014215952A1

DE102014215952A1 - Beleuchtungsmodul für einen optischen Sensor sowie optischer Sensor mit einem solchen Belechtungsmodul für ein Koordinatenmessgerät zur Vermessung von Innengewinden oder Bohrlöchern eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102014215952A1
Application number: DE102014215952.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Engel
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2016-02-18
Anticipated expiration: 2034-08-13
Also published as: DE102014215952B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungsmodul 41f für einen optischen Sensor 31f zur Vermessung einer Oberfläche 7a eines Werkstücks 7 mittels eines Koordinatenmessgeräts umfassend mindestens eine Lichtquelle 1 sowie optische Elemente 2, 3, 4, 5, 6, 6a 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 31f, wobei einige der genannten optischen Elemente 4, 5, 6, 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 Beleuchtungsmoduls 41f bzw. Sensors 31f zumindest teilweise bogenförmig ausgebildet wird, und wobei eine polarisationsoptische Einheit 12 des Beleuchtungsmoduls 41f zwischen der Lichtquelle 1 und dem Umlenkelement 6a für eine Polarisation des Lichts auf dem Hinweg zwischen der polarisationsoptischen Einheit 12 und dem Umlenkelement 6a sorgt. Die Erfindung betrifft ferner einen optischen Sensor für ein Koordinatenmessgerät mit einem solchen Beleuchtungsmodul.

Description

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.
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.
Der Vermessung von Innenwänden von Bohrlöchern mittels der Weißlichtinterferometrie widmet sich die Veröffentlichung DE 10 2004 012 426 . 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.
Die gleichzeitige Erfassung ganzer Höhenlinien von Innenwänden von Bohrlöchern ist im Zusammenhang mit der 5 des Patents US 4,453,082 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.
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.
Die Anpassung an verschiedene Bohrlochdurchmesser wird in der Veröffentlichung EP 2 093 536 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.
Obwohl in der EP 2 093 536 nur ein Konus in Form eines Kegels bzw. Kegelstumpfes gezeigt ist, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Begriff Konus im mathematischen Sinne dahingehend verstanden, dass damit jede Fläche erfasst ist, die sich als eine um eine Achse rotierbare Kurve bzw. rotierbaren Kurvenabschnitt darstellen lässt. Insofern ist auch der rotationssymmetrischen Parabolspiegels aus dem Patent US 4,453,082 durch den Begriff Konus im Sinne der vorliegenden Erfindung erfasst.
Bei vielen der eingangs erwähnten Messtechniken ist es nun notwendig, die von der Messtechnik erzeugten Intensitätssignale bzw. Intensitätsmuster mittels eines CCD- oder CMOS-Detektors zu erfassen und somit einer Datenverarbeitung zuzuführen. Diese Datenerfassung auf den entsprechenden Detektoren bzw. die Datenqualität hängt dabei jedoch sehr entscheidend vom Signal zu Rauschverhältnis bzw. dem Kontrast der erfassten Intensitätswerte bzw. Intensitätsmuster ab.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Beleuchtungsmodul für einen Sensor sowie einen Sensor für ein Koordinatenmessgerät zur Vermessung von Bohrlöchern oder Innengewinden anzugeben, das bzw. der gegenüber dem Stand der Technik ein verbessertes Signal zu Rauschverhältnis bzw. einen verbesserten Kontrast der erfassten Intensitätswerte bzw. Intensitätsmuster aufweist.
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 auf dem Hinweg durch das Umlenkelement der Fokusbereich des Beleuchtungsmoduls bzw. Sensors zumindest teilweise bogenförmig ausgebildet wird, und wobei eine polarisations-optische Einheit des Beleuchtungsmoduls zwischen der Lichtquelle und dem Umlenkelement für eine Polarisation des Lichts auf dem Hinweg zwischen der polarisationsoptischen Einheit und dem Umlenkelement sorgt. Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter Polarisation des Lichts jede Form der Abweichung vom unpolarisierten Zustand verstanden.
Indem erfindungsgemäß bei den eingangs erwähnten Beleuchtungsmodulen bzw. Sensoren des Standes der Technik mit einem konischen Umlenkelement zur Erzeugung eines zumindest teilweise bogenförmigen Fokusbereichs eine polarisationsoptische Einheit eingesetzt wird, um gezielt den Polarisationszustand des Lichts beim Auftreffen auf die zu vermessende Oberfläche einzustellen, ist es möglich, gerade einen solchen Polarisationszustand einzustellen, bei dem der Kontrast und somit das Signal zu Rauschverhältnis am Detektor des Sensors maximiert wird.
In einer Ausführungsform sind polarisationsoptische Einheit und/oder einzelne optische Elemente der polarisationsoptischen Einheit in den Lichtstrahlengang des Sensors bzw. des Beleuchtungsmoduls einführbar gelagert bzw. gehaltert, so dass wahlweise der Sensor bzw. das Beleuchtungsmodul zwischen einem polarisierten und einem unpolarisierten Betriebsmodus durch das Ein- bzw. Ausführen der polarisationsoptischen Einheit und/oder eines ihrer optische Elemente in bzw. aus dem Lichtstrahlengang umgeschaltet werden kann. Durch den Vergleich von unpolarisierten Messungen mit polarisierten Messungen sind Rückschlüsse auf die Oberflächentextur bzw. Rauheit der Oberfläche möglich, insbesondere dahingehend, ob diese Textur bzw. Rauheit isotrop ist oder eine Vorzugsrichtung aufweist.
Somit können insbesondere Aussagen über die Bearbeitungsqualität von Bohrlöchern parallel und senkrecht zur Vorschubrichtung des Bearbeitungswerkzeugs gewonnen werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind die polarisationsoptische Einheit und/oder einzelne optische Elemente der polarisationsoptischen Einheit in dem Lichtstrahlengang des Beleuchtungsmoduls drehbar gelagert bzw. gehaltert, so dass der polarisierte Zustand des Lichts auf dem Hinweg zum Umlenkelement durch das Drehen der polarisationsoptischen Einheit und/oder eines ihrer optischen Elemente verändert werden kann. Hierdurch lassen sich mehrere Aufnahmen einer Oberfläche bei unterschiedlichen Polarisationszuständen analysieren, um so einerseits genauere Messwerte für die Koordinaten der Oberfläche als auch andererseits Aussagen zur Oberflächentextur bzw. Rauheit zu gewinnen.
In einer Ausführungsform ist das Licht auf dem Hinweg zwischen der polarisationsoptischen Einheit und dem Umlenkelement azimutal polarisiert ist, so dass das Licht nach der Umlenkung durch das Umlenkelement bei der Vermessung einer Oberfläche eines Bohrlochs auf diese Oberfläche linear polarisiert mit einer Ausrichtung senkrecht zur Bohrlochachse auftrifft. Hierdurch lassen sich Aussagen über die Bearbeitungsqualität von Bohrlöchern senkrecht zur Vorschubrichtung des Bearbeitungswerkzeugs gewinnen.
Die Erzeugung von zur optischen Achse tangential bzw. azimutal ausgerichteter Polarisation sowie radial ausgerichteter Polarisation mittels einer polarisationsoptischen Einheit bestehend aus mehreren konischen Flächen mit entsprechenden polarisationsselektiven Beschichtungen ist zum Beispiel aus dem Patent US 4,755,027 bekannt. Darüber hinaus ist die Erzeugung von zur optischen Achse tangential bzw. ringförmig ausgerichteter Polarisation mittels eines doppelbrechenden optischen Elements in Form eines Abschnitts einer doppelläufigen Wendeltreppe aus dem Patent US 3,892,470 bekannt. Eine weitere Nutzung dieses Elements ist aus dem Patent US 3,892,469 bekannt, dabei wird zusätzlich die Doppelbrechung eines weiteren kristallinen optischen Elements durch Anlegung von elektrischen Spannungen zur Fokusvariation verändert. Die Erzeugung azimutaler und/oder radialer Polarisation in der Pupille eines Beleuchtungsmoduls mittels unterschiedlichen zueinander kombinierbaren optischen Elementen ist Gegenstand des Patents US 5,677,755 . Dort ist zum Beispiel in 19A die Anordnung mehrerer solcher Elemente auf einem Wechselrad zum Wechseln der Polarisationseigenschaft des Lichts der Pupille des Beleuchtungsmoduls zwischen azimutaler und radialer Polarisation mit unterschiedlichem Pupillenfüllungsgrad (σ) offenbart. Eine polarisationsoptische Einheit der vorliegenden Erfindung kann folglich aus einem oder mehreren der im Stand der Technik offenbarten optischen Elementen bestehen.
In einer anderen Ausführungsform ist das Licht auf dem Hinweg zwischen der polarisationsoptischen Einheit und dem Umlenkelement radial polarisiert ist, so dass das Licht nach der Umlenkung durch das Umlenkelement bei der Vermessung einer Oberfläche eines Bohrlochs auf diese Oberfläche linear polarisiert mit einer Ausrichtung parallel zur Bohrlochachse auftrifft. Hierdurch lassen sich Aussagen über die Bearbeitungsqualität von Bohrlöchern parallel zur Vorschubrichtung des Bearbeitungswerkzeugs gewinnen.
In einer Ausführungsform umfasst die polarisationsoptische Einheit mindestens ein optisches Element aus doppelbrechendem und/oder optisch aktivem Material. Ein entsprechend geformtes optisches Element aus doppelbrechendem Material erlaubt einen möglichst einfachen Aufbau der polarisationsoptischen Einheit mit möglichst wenigen optischen Elementen.
In einer weiteren Ausführungsform liegt das optischen Elements aus doppelbrechendem und/oder optisch aktivem Material in Form einer Scheibe vor, deren eine Seite plan ist und deren andere Seite zweifach gestuft ist mit zwei gleich hohen Stufen der Höhe H, wobei die Oberfläche zwischen den beiden Stufen in Form einer einhüllenden Fläche einer doppelläufigen Wendeltreppe gegeben ist, so dass die Höhe der Scheibe entlang ihres Umfangs angefangen bei einer Mindesthöhe h_o der Scheibe linear mit dem Umfang bis zur Höhe H + h_o bei der Hälfte des Umfangs bzw. der ersten Stufe ansteigt, danach senkrecht auf h_o abfällt und wiederum linear mit dem Umfang bis zur Höhe H + h_o bei der zweiten Hälfte des Umfangs bzw. der zweiten Stufe ansteigt, wobei die Höhe H der beiden Stufen bei doppelbrechendem Material gegeben ist durch das Doppelte der Wellenlänge λ des Lichts dividiert durch den Brechungsindexunterschied n = (n_e – n_o) von außerordentlichem Brechungsindex n_e und ordentlichem Brechungsindex n_o des doppelbrechenden Materials. Ein optisches Element aus doppelbrechendem Material in Form einer doppelläufigen Wendeltreppe ermöglicht separat oder im Zusammenspiel mit anderen polarisationsoptischen Komponenten eine möglichst einfache Erzeugung von azimutaler bzw. radialer Polarisation.
In einer Ausführungsform umfasst die polarisationsoptische Einheit mindestens eine λ/4- und/oder mindestens eine λ/2-Platte. Solche Komponenten sind hilfreich für die Umwandlung von linear polarisiertem Licht in zirkular polarisiertes Licht oder zur Drehung der Polarisationsebene, insbesondere im Zusammenspiel mit dem in Form einer doppelläufigen Wendeltreppe vorliegenden optischen Element aus doppelbrechendem und/oder optisch aktivem Material.
In einer 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.
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 dem zumindest teilweise bogenförmigen Fokusbereich ausgebildet ist.
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.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. In diesen zeigt
1 eine schematische Darstellung eines optischen Sensors des Standes der Technik entsprechend der 11 aus EP 2 093 536 A1 ;
2 eine schematische Darstellung einer ersten alternativen Ausführungsform eines konfokalen Sensors im Vergleich zu 1;
3 eine schematische Darstellung einer zweiten alternativen Ausführungsform eines konfokalen Sensors im Vergleich zu 1;
4 eine schematische Darstellung einer dritten alternativen Ausführungsform eines konfokalen Sensors im Vergleich zu 1;
5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Sensors basierend auf der Weißlichtinterferometrie;
6 ein schematische Darstellung eines alternativen Beleuchtungsmoduls bzw. Sensors im Vergleich zu 3; und
7 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls bzw. Sensors.
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.
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 .
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.
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.
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.
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·sinα 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.
Ohne die Erzeugung geneigter Strahlen durch das Axikon 3 würden sich alle ansonsten parallele Strahlen aufgrund h = f·sin0° = 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.
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.
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. 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.
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.
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.
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.
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.
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 Millimetern in der Fokuslage ausschließlich durch eine Veränderung der Position des Axikons 3 bereitzustellen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die 3 zeigt ein zweites alternatives 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.
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.
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.
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.
Für eine Vermessung von rotationsymmetrischen Bohrlöchern oder Innengewinden weist bei den optischen Sensoren der 2 bis 6 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.
Vorteilhaft ist das optische Element mit Freiformoberfläche 6f in Form eines Zylinders 6 bei den optischen Sensoren bzw. Beleuchtungsmodulen der 4 bis 6 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.
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.
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.
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.
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 und US 2010/0312524 sowie die dort zitierten Referenzen verwiesen.
Die 6 zeigt ein weiteres alternatives 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 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 und WO 2014/023780 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 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 polarisationsoptische Einheit entsprechend dem Beleuchtungsmodul 41f bzw. Sensors 31f der 7 aufweisen kann.
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.
Es versteht sich, dass bei allen Sensoren 31a bis 31f bzw. Beleuchtungsmodulen 41a bis 41f ein Axikon 3 statt einer Mehrfachspiegelanordnung MMA zur Variation der Lichtstrahlauftrefforte und umgekehrt eine Mehrfachspiegelanordnung MMA statt einem Axikon 3 eingesetzt werden kann. Ferner versteht es sich, dass bei allen Sensoren 31a bis 31f bzw. Beleuchtungsmodulen 41a bis 41f ein diffraktives optisches Element 5f und/oder ein optisches Element mit Freiformoberfläche 5f statt einem optischen Umlenkelement mit Freiformoberfläche 6f zur Fokusvariation und umgekehrt eingesetzt werden kann.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die 7 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensor 31f bzw. eines erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls 41f, der bzw. das zusätzlich zu dem in 2 dargestellten Sensor 31a (Beleuchtungsmodul 41a) zwischen der Kollimationslinse 2 und dem Axikon 3 eine polarisationsoptische Einheit 12 aufweist. Diese polarisationsoptische Einheit 12 des Beleuchtungsmoduls 41f bzw. Sensors 31f zwischen der Lichtquelle 1 und dem Umlenkelement 6a sorgt für eine Polarisation des Lichts auf dem Hinweg zwischen der polarisationsoptischen Einheit 12 und dem Umlenkelement 6a. Dazu sind die polarisationsoptische Einheit 12 und/oder einzelne optische Elemente der polarisationsoptischen Einheit 12 in dem Lichtstrahlengang des Beleuchtungsmoduls 41f bzw. Sensors 31f einführbar gelagert bzw. gehaltert, so dass wahlweise das Beleuchtungsmodul zwischen einem polarisierten und einem unpolarisierten Betriebsmodus durch das Ein- bzw. Ausführen der polarisationsoptischen Einheit 12 und/oder eines ihrer optische Elemente in bzw. aus dem Lichtstrahlengang umgeschaltet werden kann. Ferner sind für die Einstellung des Polarisationszustandes die polarisationsoptische Einheit 12 und/oder einzelne optische Elemente der polarisationsoptischen Einheit 12 in dem Lichtstrahlengang des Beleuchtungsmoduls 41f bzw. Sensors 31f drehbar gelagert bzw. gehaltert, so dass der polarisierte Zustand des Lichts auf dem Hinweg zum Umlenkelement 6a durch das Drehen der polarisationsoptischen Einheit 12 und/oder eines ihrer optische Elemente verändert werden kann.
Somit ist es einerseits möglich, das Licht auf dem Hinweg zwischen der polarisationsoptischen Einheit 12 und dem Umlenkelement 6a azimutal zu polarisieren, so dass das Licht nach der Umlenkung durch das Umlenkelement 6a bei der Vermessung einer Oberfläche 7a eines Bohrlochs auf diese Oberfläche 7a linear polarisiert mit einer Ausrichtung 14 senkrecht zur Bohrlochachse auftrifft. Die azimutale Polarisation ist dabei in der 7 in der linken Draufsicht auf die polarisationsoptische Einheit 12 dargestellt, die resultierende lineare Polarisation im Fokusbereich 14 ist dabei ebenfalls in der linken Draufsicht des Fokusbereich 14 in der 7 wiedergegeben. Dabei ist zu beachten, dass der Fokusbereich 14 sich als Bereich oder Linie quasi Zylinder- bzw. Bandförmig entlang der Innenwand 7a des Bohrlochs erstreckt. Insofern ist der Fokusbereich 14 in der Draufsicht bandförmig dargestellt, wobei der untere schraffierte Teil des Bandes die zur Innenwand 7a hinlaufenden Strahlen und deren lineare Polarisation wiedergibt und wobei der obere nicht schraffierte Teil des Bandes die nach der Reflektion an der Innenwand zurück laufenden Strahlen und deren lineare Polarisation wiedergibt. Bei einer unsachgemäßer Bearbeitung der Oberfläche der Innenwand, insbesondere bei einer unzulässigen Rauheit der Oberfläche kommt es zur Streuung und/oder zur Drehung der Polarisationsrichtung von Licht bei der Reflektion an der Innenwand. Diese zum Teil geringen Streuverluste bzw. geringen Drehungen der Polarisationsrichtung lassen sich nun entweder durch den Einsatz eines Polarisationsfilters am Detektor 10, den Vergleich mit einer unpolarisiert vorgenommenen Messung und/oder den Vergleich mit einer bei radialer Polarisation durchgeführten Messung unter Einbeziehung von Referenzmessungen an besonders glatten bzw. genormt polierten Oberflächen ermitteln. Hierdurch sind Rückschlüsse auf die Bearbeitungsqualität des Bohrloches mit einem Bearbeitungswerkzeug oder den Bearbeitungsprozess möglich.
Neben einer Einstellung von azimutaler Polarisation für die Vermessung eines Bohrlochs mit dem erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls 41f bzw. Sensors 31f ist es auch möglich, das Licht auf dem Hinweg zwischen der polarisationsoptischen Einheit 12 und dem Umlenkelement 6a radial zu polarisieren, so dass das Licht nach der Umlenkung durch das Umlenkelement 6a bei der Vermessung einer Oberfläche 7a eines Bohrlochs auf diese Oberfläche 7a linear polarisiert mit einer Ausrichtung 14 parallel zur Bohrlochachse auftrifft. Entsprechend zu der Darstellung im letzten Absatz stellt die rechte Draufsicht auf die polarisationsoptische Einheit 12 in der 7 die radiale Polarisation und die rechte Draufsicht auf den Fokusbereich 14 die resultierende lineare Polarisation im Fokusbereich 14 dar.
Zur Einstellung der genannten Polarisationszustände umfasst die polarisationsoptische Einheit 12 des Beleuchtungsmoduls 41f bzw. Sensors 31f der 7 mindestens ein optisches Element aus doppelbrechendem und/oder optisch aktivem Material. Insbesondere ein optisches Elements aus doppelbrechendem und/oder optisch aktivem Material in Form einer Scheibe, deren eine Seite plan ist und deren andere Seite zweifach gestuft ist mit zwei gleich hohen Stufen der Höhe H, wobei die Oberfläche zwischen den beiden Stufen in Form einer einhüllenden Fläche einer doppelläufigen Wendeltreppe gegeben ist, so dass die Höhe der Scheibe entlang ihres Umfangs angefangen bei einer Mindesthöhe h_o der Scheibe linear mit dem Umfang bis zur Höhe H + h_o bei der Hälfte des Umfangs bzw. der ersten Stufe ansteigt, danach senkrecht auf h_o abfällt und wiederum linear mit dem Umfang bis zur Höhe H + h_o bei der zweiten Hälfte des Umfangs bzw. der zweiten Stufe ansteigt, wobei die Höhe H der beiden Stufen bei doppelbrechendem Material gegeben ist durch das Doppelte der Wellenlänge λ des Lichts dividiert durch den Brechungsindexunterschied n = (n_e – n_o) von außerordentlichem Brechungsindex n_e und ordentlichem Brechungsindex n_o des doppelbrechenden Materials, ermöglicht es, linear polarisiertes Licht in azimutal polarisiertes Licht zu verwandeln. Für ein entsprechendes optisches Element aus doppelbrechendem Material in Form einer doppelläufigen Wendeltreppe wird in diesem Zusammenhang auf das Patent US 3,892,470 verwiesen. Für ein entsprechendes optisches Element aus optisch aktivem Material wird auf die Offenlegungsschrift WO 2005/069081 verweisen. Es gibt jedoch auch Materialien die sowohl doppelbrechend als auch optisch aktiv sind. Die beiden genannten Veröffentlichungen setzen linear polarisiertes Licht zur Umwandlung durch das optische Element in Form einer doppelläufigen Wendeltreppe voraus. Daher kann die Lichtquelle 1 der 7 selbst eine solche Lichtquelle sein, die linear polarisiertes Licht liefert, z. B. eine Laser oder eine Laserdiode oder es kann ein Polarisator im Bereich der Lichtquelle 1 oder innerhalb der polarisationsoptischen Einheit 12 zur Erzeugung von linear polarisiertem Licht eingesetzt werden.
Die polarisationsoptische Einheit 12 des Beleuchtungsmoduls 41f bzw. Sensors 31f kann dabei mindestens eine λ/4- und/oder mindestens eine λ/2-Platte umfassen. Zum Beispiel kann mit einem sogenannten 90°-Rotator bestehend aus zwei λ/2-Platten hintereinander, deren Kristallachsen um 45° zueinander verdreht angeordnet sind, azimutal polarisiertes Licht in radial polarisiertes Licht und umgekehrt radial polarisiertes Licht in azimutal polarisiertes Licht verwandelt werden. Insofern kann durch Ein- bzw. Ausführen eines solchen 90°-Rotators in den Strahlengang hinter dem optischen Element in Form einer doppelläufigen Wendeltreppe die Polarisation von azimutal auf radial umgeschaltet werden. Andere Formen von 90°-Rotatoren aus optisch aktivem Material sowie elektrisch ansteuerbare Rotatoren in Form von Kerr- oder Pockels-Zellen sind ebenfalls bekannt und entsprechend einsetzbar.
Es versteht sich, dass die polarisationsoptische Einheit 12 des erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls 41f bzw. Sensors 31f bei allen Beleuchtungsmodulen bzw. Sensoren der 2 bis 6 sowie bei dem Sensor 30 des Standes der Technik in 1 eingesetzt werden kann, so dass diese genannten Beleuchtungsmodule bzw. Sensoren inklusive ihrer oben dargelegten Beschreibung im Zusammenspiel mit der polarisationsoptischen Einheit 12 als weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anzusehen sind. Darüber hinaus versteht es sich, dass bei allen genannten Beleuchtungsmodulen bzw. Sensoren neben einer polarisationsoptischen Einheit 12 auch eine in 7 nicht dargestellte polarisationsoptische Filter-Einheit auf dem Rückweg des Lichts von der Oberfläche 7a des Werkstücks 7 zu dem mindestens einen Detektor 10 des Sensors eingesetzt werden kann. Durch eine polarisationsoptische Filter-Einheit, insbesondere ein Polarisation kann der Polarisationszustand des auf den Detektor 10 einfallenden Lichts eingestellt werden. Hierdurch lässt sich z. B. Störlicht und/oder Falschlicht, welches nicht den gewünschten Polarisationszustand aufweist, eliminieren. Alternativ oder zusätzlich lassen sich die optischen Elemente des Beleuchtungsmoduls bzw. Sensors sowie deren Beschichtungen weitestgehend polarisationserhalten auslegen, so dass ein durch die polarisationsoptische Einheit 12 eingestellter Zustand für den Hinweg des Lichts zu der zu vermessenden Oberfläche 7a auch auf dem Rückweg des Lichts zu dem mindestens einen Detektor 10 durch die optischen Elemente des Beleuchtungsmoduls bzw. Sensors nicht verfälscht wird.
Schließlich ist es denkbar, dass eine polarisationstrennende Einheit z. B. in Form eines Polarisation-Strahlteilers das Licht anteilig auf mehrere Detektoren 10 abhängig vom jeweiligen Polarisationszustand verteilt. Ein solches Beleuchtungsmodul bzw. Sensor kann dann an entsprechenden Gewindenormalen oder Bohrlochnormalen geeicht werden, so dass bei der Vermessung eines Werkstücks sozusagen online und ohne eine aufwendige offline Analyse aus den gewonnen Daten Rückschlüsse auf die Bearbeitungsrichtung und die Bearbeitungsqualität des Bearbeitungswerkzeugs gezogen werden können.
Ferner kann das Beleuchtungsmodul 41f der 7 entsprechend den Beleuchtungsmodulen 41a bis 41e der 2 bis 6 eine Wechselschnittstelle zur Ankopplung des Beleuchtungsmoduls (41f) an einen Sensor (31f) aufweisen. Dabei kann der erfindungsgemäße Sensor 31f bzw. das erfindungsgemäße Beleuchtungsmodul 41f derart hinsichtlich der Wechselschnittstelle ausgelegt sein, dass entsprechend dem Beleuchtungsmodul 41e bzw. Sensor 31e der 6 das Beleuchtungsmodul 41f nachrüstbar zu einem bereits bestehenden optischen Sensor eines Koordinatenmessgeräts ausgeführt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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DE 102004012426 [0003, 0061]
US 4453082 [0004, 0007]
EP 2093536 A1 [0005, 0025, 0033, 0033, 0033, 0033, 0033, 0033, 0033, 0039, 0040, 0040]
EP 2093536 [0006, 0007, 0034]
US 4755027 [0016]
US 3892470 [0016, 0074]
US 3892469 [0016]
US 5677755 [0016]
US 2010/0312524 [0061]
WO 2014/023332 [0062]
WO 2014/023780 [0062]
WO 2013/167167 [0062]
WO 2005/069081 [0074]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Dresel et al. „Three-dimentional sensing of rough surfaces by coherence radar” APPLIED OPTICS, Vol. 31, No. 7, March 1992, P. 919–925 [0002]

Claims

Beleuchtungsmodul (41f) für einen optischen Sensor (31f) zur Vermessung einer Oberfläche (7a) eines Werkstücks (7) mittels eines Koordinatenmessgeräts umfassend mindestens eine Lichtquelle (1) sowie optische Elemente (2, 3, 4, 5, 6, 6a) 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 (31f), wobei einige der genannten optischen Elemente (4, 5, 6, 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 Beleuchtungsmoduls (41f) bzw. Sensors (31f) zumindest teilweise bogenförmig ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine polarisationsoptische Einheit (12) des Beleuchtungsmoduls (41f) zwischen der Lichtquelle (1) und dem Umlenkelement (6a) für eine Polarisation des Lichts auf dem Hinweg zwischen der polarisationsoptischen Einheit (12) und dem Umlenkelement (6a) sorgt.
Beleuchtungsmodul (41f) nach Anspruch 1, wobei die polarisationsoptische Einheit (12) und/oder einzelne optische Elemente der polarisationsoptischen Einheit (12) in den Lichtstrahlengang des Beleuchtungsmoduls (41f) einführbar gelagert bzw. gehaltert sind, so dass wahlweise das Beleuchtungsmodule zwischen einem polarisierten und einem unpolarisierten Betriebsmodus durch das Ein- bzw. Ausführen der polarisationsoptischen Einheit (12) und/oder eines ihrer optische Elemente in bzw. aus dem Lichtstrahlengang umgeschaltet werden kann.
Beleuchtungsmodul (41f) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die polarisationsoptische Einheit (12) und/oder einzelne optische Elemente der polarisationsoptischen Einheit (12) in dem Lichtstrahlengang des Beleuchtungsmoduls (41f) drehbar gelagert bzw. gehaltert sind, so dass der polarisierte Zustand des Lichts auf dem Hinweg zum Umlenkelement (6a) durch das Drehen der polarisationsoptischen Einheit (12) und/oder eines ihrer optische Elemente verändert werden kann.
Beleuchtungsmodul (41f) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Licht auf dem Hinweg zwischen der polarisationsoptischen Einheit (12) und dem Umlenkelement (6a) azimutal polarisiert ist, so dass das Licht nach der Umlenkung durch das Umlenkelement (6a) bei der Vermessung einer Oberfläche (7a) eines Bohrlochs auf diese Oberfläche (7a) linear polarisiert mit einer Ausrichtung (14) senkrecht zur Bohrlochachse auftrifft.
Beleuchtungsmodul (41f) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Licht auf dem Hinweg zwischen der polarisationsoptischen Einheit (12) und dem Umlenkelement (6a) radial polarisiert ist, so dass das Licht nach der Umlenkung durch das Umlenkelement (6a) bei der Vermessung einer Oberfläche (7a) eines Bohrlochs auf diese Oberfläche (7a) linear polarisiert mit einer Ausrichtung (14) parallel zur Bohrlochachse auftrifft.
Beleuchtungsmodul (41f) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die polarisationsoptische Einheit (12) mindestens ein optisches Element aus doppelbrechendem und/oder optisch aktivem Material umfasst
Beleuchtungsmodul (41f) nach Anspruch 6, wobei das optischen Elements aus doppelbrechendem und/oder optisch aktivem Material in Form einer Scheibe vorliegt, deren eine Seite plan ist und deren andere Seite zweifach gestuft ist mit zwei gleich hohen Stufen der Höhe H, wobei die Oberfläche zwischen den beiden Stufen in Form einer einhüllenden Fläche einer doppelläufigen Wendeltreppe gegeben ist, so dass die Höhe der Scheibe entlang ihres Umfangs angefangen bei einer Mindesthöhe h_o der Scheibe linear mit dem Umfang bis zur Höhe H + h_o bei der Hälfte des Umfangs bzw. der ersten Stufe ansteigt, danach senkrecht auf h_o abfällt und wiederum linear mit dem Umfang bis zur Höhe H + h_o bei der zweiten Hälfte des Umfangs bzw. der zweiten Stufe ansteigt, wobei die Höhe H der beiden Stufen bei doppelbrechendem Material gegeben ist durch das Doppelte der Wellenlänge λ des Lichts dividiert durch den Brechungsindexunterschied n = (n_e – n_o) von außerordentlichem Brechungsindex n_e und ordentlichem Brechungsindex n_o des doppelbrechenden Materials.
Beleuchtungsmodul (41f) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die polarisationsoptische Einheit (12) mindestens eine λ/4- und/oder mindestens eine λ/2-Platte umfasst.
Beleuchtungsmodul (41f) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 wobei das Beleuchtungsmodul (41f) eine Wechselschnittstelle zur Ankopplung des Beleuchtungsmoduls (41f) an einen Sensor (31f) aufweist.
Optischer Sensor (31f) für ein Koordinatenmessgerät zur Vermessung einer Oberfläche (7a) eines Werkstücks (7) umfassend ein Beleuchtungsmodul (41f) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mindestens einen Detektor (10), der flächenmäßig zur Erfassung von Intensitätssignalen von Licht aus dem zumindest teilweise bogenförmigen Fokusbereich ausgebildet ist.