Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor für ein Koordinatenmessgerät sowie ein Beleuchtungsmodul für einen solchen optischen Sensor zur Vermessung von Innengewinden oder Bohrlöchern eines Werkstücks mittels dem optischen Sensor bzw. Beleuchtungsmodul. The invention relates to an optical sensor for a coordinate measuring machine and to a lighting module for such an optical sensor for measuring internal threads or boreholes of a workpiece by means of the optical sensor or lighting module.
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 . As optical sensors for the non-contact detection of coordinates of a workpiece in addition to the visual detection using CCD or CMOS cameras and confocal chromatic sensors, conoscopic sensors, distance sensors with Foucault'scher cutting edge, confocal microscopes and sensors are known, based on the measurement principles of focus variation which are based on fringe projection, classical triangulation, photogrammetry, classical interferometry as well as on white light interferometry. A coordinate measuring machine with an optical sensor based on the white light interferometry is known, for example, from the patent DE 103 92 656 B4 or from the publication US 2010/0312524 A1 known. White light interferometry is known in the field of mechanical engineering for the measurement of reflective surfaces as an optical coherence radar and in the medical field for the measurement of soft tissue volumes as optical coherence tomography (OCT). Further, the measurement of rough surfaces by means of the optical coherence radar is known as a special form of speckle interferometry, see Dresel et al. "Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar" APPLIED OPTICS, Vol. 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. The measurement of inner walls of boreholes by means of white light interferometry is dedicated to the publication DE 10 2004 012 426 , In this case, a periscope or a deflection mirror is used to direct the focus or the focus zone of the white light interferometer to a point or a region with a small lateral extent of the inner wall in order to measure the distance of this point or region of the inner wall. The disadvantage, however, is that for complete measurement of only one contour line of the inner wall, the periscope or the deflection mirror must be successively rotated in different rotational positions by a total of 360 ° and each rotational position a measurement point must be recorded. This results in a large amount of time for the complete measurement of one or more contour lines of the inner wall of a borehole or internal thread.
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. The simultaneous detection of whole contour lines of inner walls of boreholes is associated with the 5 of the patent US 4,453,082 disclosed by means of a rotationally symmetric parabolic mirror for a confocal sensor. The disadvantage, however, is that the full focus ring generated by the parabolic mirror is not variable in its diameter by the fixed shape of the parabolic mirror and so different sensors with different parabolic mirrors must be used for different borehole diameter.
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. This issue of focus variation triggers the publication EP 2 093 536 A1 in that, instead of a parabolic mirror, a cone is used and the generation of the focus ring is brought about by the generation or use of light steels inclined only to the optical axis. In the embodiment, the 1 the aforementioned publication two diaphragms for selection only inclined to the optical axis light beams and in the embodiment of 11 an axicon used to produce only inclined to the optical axis of light rays. This oblique position of the light rays to the optical axis ensures that these light rays form a focus on one side of the cone and that after reflection on the inner wall of a borehole these light rays can also run back to a detector on the same side of the cone. Without this inclination, the rays reflected on the inner wall would no longer hit the cone on the way back. This is the reason why in many prior art documents, which generally use light aligned parallel to the optical axis for focusing through a lens, a deflecting mirror or periscope is used after the lens to redirect the focus point Ensures that both the rays running towards the inner wall and the focus as well as the returning reflected rays are completely detected by the deflection mirror or the periscope.
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. The adaptation to different borehole diameter will be published EP 2 093 536 realized in that the distance of the cone from the rest of the sensor is variable.
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. For this purpose, however, it is necessary to move the cone and / or the associated housing in which the cone is embedded. As a result, on the one hand relatively large masses must be moved and on the other hand, the movement of the cone must be very precisely controlled. The large masses lead to an increase in the necessary measuring or conversion time for different borehole diameters or for boreholes with larger diameter fluctuations, as they are given for example in internal threads. The inaccuracy in the movement of the cone leads to a reduced Measuring accuracy as soon as the cone has to be moved during a measurement.
Der gleichzeitigen Erfassung ganzer Höhenlinien von Innenwänden von Bohrlöchern widmet sich auch die Veröffentlichung WO 2010/063775 mittels einer Messung von Lichtspaltbreiten, wobei die Lichtspalte zwischen einer Referenzkante des eingesetzten Sensors und der Bohrlochinnenwand durch rückwärtige Beleuchtung des resultierenden Spalts gebildet werden. Bei größeren Spaltbreiten lässt sich die Spaltbreite dabei durch Triangulation mittels der beleuchteten Referenzkante und der ebenfalls beleuchteten Bohrlochinnenwand ermitteln. Hierdurch muss die Referenzkante des Sensors nicht unbedingt exakt an den Bohrlochdurchmesser angepasst sein, da unterschiedlich breite Lichtspalte durch diese beiden sich ergänzenden Messtechniken vermessen werden können. Insofern genügen wenige, unterschiedliche und gegeneinander austauschbare Referenzkanten, um eine große Variation von unterschiedlichen Bohrlöchern zu vermessen. Vorteilhaft an der Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik ist zudem, dass zusätzlich zu den Ortsinformationen der Innenwänden von Bohrlöchern aufgrund des streifenden Lichteinfalls auch die Textur bzw. Struktur der Oberfläche der Innenwände erfasst werden kann. Nachteilig an der Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik ist allerdings, dass die Messgenauigkeit einer konfokalen Messtechnik oder die Messgenauigkeit der Weißlichtinterferometrie nicht erreicht wird. The simultaneous detection of entire contour lines of inner walls of boreholes is also dedicated to the publication WO 2010/063775 by means of a measurement of light gap widths, wherein the light gaps between a reference edge of the inserted sensor and the borehole inner wall are formed by backlighting of the resulting gap. For larger gap widths, the gap width can be determined by triangulation by means of the illuminated reference edge and the likewise illuminated borehole inner wall. As a result, the reference edge of the sensor does not necessarily have to be adapted exactly to the borehole diameter since differently wide light gaps can be measured by these two complementary measuring techniques. In this respect, only a few, different and interchangeable reference edges are sufficient to measure a large variety of different boreholes. Another advantage of the Lichtspaltbreiten- or Lichtschnittmesstechnik is that in addition to the location information of the inner walls of boreholes due to the grazing incidence of light and the texture or structure of the surface of the inner walls can be detected. A disadvantage of the Lichtspaltbreiten- or Lichtschnittmesstechnik is, however, that the measurement accuracy of a confocal measurement technique or the accuracy of the white light interferometry is not achieved.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Sensor bzw. ein Beleuchtungsmodul für ein Koordinatenmessgerät zur Vermessung von Bohrlöchern oder Innengewinden anzugeben, der bzw. das gegenüber dem Stand der Technik eine hohe absolute Messgenauigkeit und eine reduzierte Vermessungszeit für die vollständige Erfassung der Koordinaten von Innenwänden eines Bohrlochs mit größeren Durchmesserschwankungen sowie die gleichzeitige Erfassung der Textur bzw. Struktur der Innenwand erlaubt. Object of the present invention is therefore to provide a sensor or a lighting module for a coordinate measuring machine for measuring boreholes or internal threads, the or over the prior art, a high absolute accuracy and a reduced measurement time for the complete detection of the coordinates of inner walls a bore hole with larger diameter variations and the simultaneous detection of the texture or structure of the inner wall allowed.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Beleuchtungsmodul für einen optischen Sensor bzw. einen optischen Sensor zur Erfassung von Oberflächenkoordinaten eines Werkstücks mittels eines Koordinatenmessgeräts umfassend mindestens eine erste Lichtquelle sowie optische Elemente zur Führung des Lichts einerseits auf einem Hinweg von der mindestens einen Lichtquelle auf die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks und andererseits auf einem 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, wobei das Beleuchtungsmodul mindestens eine zweite Lichtquelle und eine Referenzkante aufweist, wobei die Lichtstrahlen der mindestens einen zweiten Lichtquelle auf einem weiteren Hinweg auf die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks geführt werden, um diese Oberfläche lokal zu beleuchten, wodurch zwischen der Referenzkante und der Oberfläche ein Lichtspalt entsteht, der durch optische Elemente auf einen weiteren Detektor oder den Detektor des Sensors abgebildet wird, so dass dort ein auswertbares Bild der Breite des Lichtspalts entsteht, wobei die Referenzkante direkt an dem äußeren Rand des Umlenkelements ausgebildet ist oder dieses Umlenkelement in Form eines separaten Bauteils umschließt. This object is achieved by an illumination module for an optical sensor or an optical sensor for detecting surface coordinates of a workpiece by means of a coordinate measuring machine comprising at least a first light source and optical elements for guiding the light on the one hand on the way from the at least one light source to the surface of the to be measured workpiece and on the other hand on a return path from the surface of the workpiece to be measured to at least one detector of the optical sensor, wherein some of said optical elements are used both for the beam guidance on the way out and for the beam guidance on the way back and wherein at least one said optical elements is a deflection element, which provides on the way for a deflection of the light on the surface of the workpiece to be measured and on the way back for a deflection of the light to the at least one detector, wherein on the way through the deflection of the focus area of the illumination module or sensor is at least partially arcuate, wherein the illumination module has at least a second light source and a reference edge, wherein the light beams of the at least one second light source on a further way to the surface of the workpiece to be measured be guided to locally illuminate this surface, whereby between the reference edge and the surface, a light gap is formed, which is imaged by optical elements on another detector or the detector of the sensor, so that there is an evaluable image of the width of the light gap, wherein the reference edge is formed directly on the outer edge of the deflecting element or surrounds this deflecting element in the form of a separate component.
Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter einem auswertbaren Bild des Lichtspalts ein Bild verstanden, bei dem die auswertbare Breite sich sowohl aus der Breite des aufgenommenen Lichtspalts (Lichtspaltbreitenmesstechnik) des Bildes als auch mittels Triangulation aus der aufgenommenen Lage der Referenzkante und der aufgenommenen Lage der Bohrlochinnenwand (Lichtschnitttechnik) des Bildes ermitteln lässt. In the context of the present invention, an evaluable image of the light gap is understood to be an image in which the evaluable width is determined both by the width of the recorded light slit (light slit width measurement technique) of the image and by triangulation from the recorded position of the reference edge and the recorded position of the image Borehole inner wall (light section technique) of the image can be determined.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich die in der Veröffentlichungsschrift EP 2 093 536 offenbarte konfokale Messtechnik mit der in der Veröffentlichungsschrift WO 2010/063775 offenbarten Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik vorteilhaft kombinieren lässt, wenn es gelingt, die Strahlengänge der beiden Messtechniken derart zu separieren, dass sie nicht auf den gleichen räumlichen Bereich des Sensors abgebildet werden. Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Sensor bzw. Beleuchtungsmodul das Umlenkelement der konfokalen Messtechnik an seinem äußeren Bereich die Referenzkante ausbildet bzw. die Referenzkante in Form eines separaten Bauteils das Umlenkelement der konfokalen Messtechnik umschließt, wird gewährleistet, dass die Lichtstrahlen der Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik im äußeren Bereich des Sensors bzw. Beleuchtungsmoduls angesiedelt sind und die Lichtstrahlen der konfokalen Messtechnik umschließen. Infolge dessen werden diese Lichtstrahlen nicht auf den gleichen räumlichen Bereich des Sensors abgebildet. Daher ist es möglich, die Abbildungen aus den beiden verschiedenen Messtechniken räumlich auf dem Detektor des Sensors zu separieren oder mehrere separate Detektoren des Sensors hierfür einzusetzen. Durch die Kombination von konfokaler Messtechnik mit der Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik ist es möglich, die aus beiden Verfahren redundant gewonnenen Ortsinformation bei der Vermessung von Bohrlöchern zur Kalibrierung bzw. Überprüfung der eingesetzten Messtechniken zu nutzen. Ferner bietet die in der Regel genauere konfokale Messtechnik die Möglichkeit, die Genauigkeit der Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik insbesondere an deren Messbereichsgrenzen zu erhöhen. Darüber hinaus liefert die Streulichtauswertung bei der Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik zudem genaue Aussagen zu der Oberflächenstruktur bzw. Rauheit der Bohrlochinnenwand. Bei der Vermessung eines großen Innengewindes hingegen liegen in der Regel nicht für den vollen Umfang die Ortsinformationen des Innengewindes redundant aus beiden Messtechniken vor, da die Vertiefungen eines großen Innengewindes mit mehreren Millimetern Abstand zu dessen Kanten (z.B. 7 mm bei M64) außerhalb des Messbereichs der Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik liegen können. Allerdings wird es auch bei solchen großen Innengewinden möglich sein, eine Streulichtauswertung der Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik vorzunehmen und damit zu Aussagen zu der Oberflächenstruktur bzw. Rauheit zu gelangen. According to the invention it was recognized that in the publication EP 2 093 536 disclosed confocal measurement technique with that in the publication WO 2010/063775 disclosed light gap width or Lichtschnittmesstechnik can combine advantageous if it succeeds to separate the beam paths of the two measurement techniques such that they are not mapped to the same spatial area of the sensor. The fact that, in the sensor or illumination module according to the invention, the deflection element of the confocal measurement technology forms the reference edge at its outer region or the reference edge encloses the deflection element of the confocal measurement technology in the form of a separate component, ensures that the light beams of the Lichtspaltbreiten- or Lichtschnittmesstechnik are located in the outer region of the sensor or lighting module and enclose the light beams of confocal measurement technology. As a result, these light beams are not mapped to the same spatial area of the sensor. Therefore, it is possible to spatially separate the images from the two different measurement techniques on the detector of the sensor or to use several separate detectors of the sensor for this purpose. By combining confocal measurement technology with the light gap width It is also possible to use the location information obtained redundantly from both methods in the measurement of boreholes for calibrating or checking the measuring techniques used. Furthermore, the usually more accurate confocal measurement technique offers the possibility of increasing the accuracy of the Lichtspaltbreiten- or Lichtschnittmesstechnik especially at the measuring range limits. In addition, the scattered light evaluation in the light gap width or light section measurement technique also provides accurate information on the surface structure or roughness of the borehole inner wall. When measuring a large internal thread, however, are usually not for the full extent the location information of the internal thread redundant from both measurement techniques, since the wells of a large internal thread with several millimeters distance to the edges (eg 7 mm in M64) outside the measuring range of Lichtspaltbreiten- or Lichtschnittmesstechnik can lie. However, even with such large internal threads, it will be possible to carry out a scattered light evaluation of the light gap width or light section measurement technique and thus to obtain information on the surface structure or roughness.
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. In one embodiment, the illumination module has an exchange interface for coupling the illumination module to the sensor. This ensures that the lighting module can be exchanged for another lighting module, which is designed, for example, for the measurement of another diameter. Furthermore, the retrofitting of existing optical sensors with a lighting module according to the invention is possible by an exchange interface.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Beleuchtungsmodul eine Kamera bestehend aus einem Objektiv und einem zusätzlichen Detektor auf, die derart angeordnet ist, dass der dem Beleuchtungsmodul gegenüberliegende Raum bei der Vermessung einer Bohrung oder eines Innengewindes eines Werkstücks durch den zusätzlichen Detektor der Kamera erfasst werden kann. Hierdurch wird einem Bediener eines Koordinatenmessgeräts die Möglichkeit geboten, über einen Monitor oder einen PC die Fahrt des Sensors bzw. Beleuchtungsmoduls zu verfolgen und bevorstehende Kollisionen frühzeitig zu erkennen. In a further embodiment, the illumination module has a camera consisting of an objective and an additional detector, which is arranged such that the space opposite the illumination module can be detected by the additional detector of the camera when measuring a bore or an internal thread of a workpiece. As a result, an operator of a coordinate measuring machine is offered the opportunity to monitor the travel of the sensor or lighting module via a monitor or a PC and to detect impending collisions at an early stage.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Kamera dabei ein Weitwinkelobjektiv auf. Ein solches Objektiv ermöglicht es, den vor dem Sensor bzw. Beleuchtungsmodul befindlichen Raum weitestgehend vollständig zu erfassen. In a further embodiment, the camera has a wide-angle lens. Such a lens makes it possible to completely detect the space located in front of the sensor or lighting module completely.
In einer Ausführungsform weist das Beleuchtungsmodul mindestens ein Kollimationsmittel zur Bündelung des Lichts der mindestens einen zweiten Lichtquelle in einen Lichtkanal des Beleuchtungsmoduls auf. Durch die Kollimationsmittel zum Beispiel in Form von Linsen wird sichergestellt, dass möglichst viel Licht zur rückwärtigen Beleuchtung des Lichtspalts zur Verfügung steht. In one embodiment, the illumination module has at least one collimating means for focusing the light of the at least one second light source into a light channel of the illumination module. The collimation means, for example in the form of lenses, ensure that as much light as possible is available for the rear illumination of the light gap.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Beleuchtungsmodul ein konisches Element als Umlenkelement zur zumindest teilweisen bogenförmigen Ausbildung eines Fokusbereichs auf, dessen äußerer Rand gleichzeitig die Referenzkante für die Erzeugung des Lichtspalts ausbildet. Ein konisches Element wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung im mathematischen Sinne als ein Element verstanden, dass durch die Rotation einer beliebigen Kurve um eine Rotationsachse entsteht. Durch die direkte Nutzung des äußeren Rands des konischen Elements als Referenzkante für die Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik lässt sich ein ansonsten notwendiges separates Bauteil einsparen. In a further embodiment, the illumination module has a conical element as a deflecting element for the at least partial arcuate formation of a focus area whose outer edge simultaneously forms the reference edge for the generation of the light gap. A conical element is understood in the context of this description in the mathematical sense as an element that arises by the rotation of any curve about an axis of rotation. The direct use of the outer edge of the conical element as a reference edge for the Lichtspaltbreiten- or Lichtschnittmesstechnik can save an otherwise necessary separate component.
In einer Ausführungsform weist das Beleuchtungsmodul eine Abdeckblende auf, wobei zwischen der Abdeckblende und dem konischen Element ein Lichtkanal gegeben ist. Durch Nutzung einer Abdeckblende zur Ausbildung des Lichtkanals zwischen dem Umlenkelement und der Abdeckblende wird ein einfacher Zugang zu der mindestens einen zweiten Lichtquelle zum Beispiel im Servicefall geschaffen, bei dem die Blende zum Erreichen der Lichtquelle einfach nur abgeschraubt werden braucht. Eine solche Abdeckblende kann auch aus einem transparenten Material bestehen, um eine zusätzliche Ausleuchtung des Bohrlochinnenraums zu ermöglichen. In one embodiment, the lighting module has a cover panel, wherein a light channel is provided between the cover panel and the conical element. By using a cover to form the light channel between the deflector and the cover a simple access to the at least one second light source, for example, in case of service is created, in which the aperture to reach the light source just needs to be unscrewed. Such a cover panel may also be made of a transparent material to allow additional illumination of the well bore interior.
In einer weiteren Ausführungsform sind die mindestens eine zweite Lichtquelle, mindestens ein Kollimationsmittel, eine stabförmige Aufhängung, ein zusätzlicher Detektor und ein Weitwinkelobjektiv innerhalb oder an dem konischen Element angeordnet. Dies ermöglicht einen einfachen Wechsel auf einen anderen zu vermessenden Durchmesser indem das konische Element durch eine Wechselschnittstelle am Ende der stabförmigen Aufhängung gegen ein anderes ausgetauscht werden kann. In a further embodiment, the at least one second light source, at least one collimating means, a rod-shaped suspension, an additional detector and a wide-angle objective are arranged inside or on the conical element. This allows a simple change to another diameter to be measured by the conical element can be replaced by an exchange interface at the end of the rod-shaped suspension against another.
In einer anderen Ausführungsform sind die mindestens eine zweite Lichtquelle und mindestens ein Kollimationsmittel innerhalb oder an dem konischen Element angeordnet, wobei das konische Element eine Durchgangsöffnung aufweist, durch die hindurch der dem Beleuchtungsmodul gegenüberliegende Raum bei der Vermessung einer Bohrung oder eines Innengewindes eines Werkstücks mittels eines zusätzlichen Detektors des Sensors oder des Detektors erfasst werden kann. Durch diese Ausführungsform wird ein zusätzlicher Detektor innerhalb oder an dem konischen Element sowie dessen Auswerteelektronik und weitere Datenkabel eingespart. In another embodiment, the at least one second light source and at least one collimating means are arranged within or on the conical element, wherein the conical element has a passage opening through which the space opposite the illumination module in the measurement of a bore or an internal thread of a workpiece by means of a additional detector of the sensor or the detector can be detected. This embodiment saves an additional detector within or on the conical element as well as its evaluation electronics and further data cables.
Die vorliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Sensor, der ein erfindungsgemäßes Beleuchtungsmodul umfasst und mindestens einen Detektor aufweist, wobei der mindestens eine Detektor flächenmäßig zur Erfassung von Intensitätssignalen von Licht aus diesem zumindest teilweise bogenförmigen Fokusbereich ausgebildet ist und wobei ein zwischen der Referenzkante des Beleuchtungsmoduls und der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks gebildeter Lichtspalt durch optische Elemente auf einen weiteren Detektor des Sensors oder den Detektor abgebildet wird, so dass dort ein auswertbares Bild der Breite des Lichtspalts entsteht. The present object is further achieved by a sensor comprising an illumination module according to the invention and having at least one detector, wherein the at least one detector is formed areally for detecting intensity signals of light from this at least partially arcuate focus area and wherein a between the reference edge of the illumination module and the surface of the workpiece to be measured formed light gap is imaged by optical elements on another detector of the sensor or the detector, so that there is an evaluable image of the width of the light gap.
In einer Ausführungsform ist der weitere Detektor oder der Detektor flächenmäßig zur Erfassung von Intensitätssignalen von Licht aus dem Bereich des Lichtspaltes ausgebildet, wobei im Falle nur eines Detektors des Sensors die Intensitätssignale von Licht aus dem teilweise bogenförmigen Fokusbereich und die Intensitätssignale von Licht aus dem Bereich des Lichtspaltes in räumlich zueinander getrennten Bereichen des flächenförmigen Detektors erfasst werden. Durch die räumliche Trennung der Intensitätssignale der beiden verschiedenen Messtechniken wird sichergestellt, dass keine Verfälschung der Messergebnisse aufgrund eines Übersprechens von Licht einer anderen Messtechnik möglich ist. In one embodiment, the further detector or the detector is designed in area for detecting intensity signals of light from the region of the light gap, wherein in the case of only one detector of the sensor, the intensity signals of light from the partially arcuate focus region and the intensity signals of light from the region of Light gap can be detected in spatially separated areas of the sheet-like detector. The spatial separation of the intensity signals of the two different measurement techniques ensures that no falsification of the measurement results due to crosstalk of light of another measurement technique is possible.
In einer weiteren Ausführungsform des optischen Sensors kann der dem Beleuchtungsmodul gegenüberliegende Raum bei der Vermessung einer Bohrung oder eines Innengewindes eines Werkstücks mittels eines zusätzlichen Detektors des Sensors oder des Detektors erfasst werden, wobei im Falle nur eines Detektors des Sensors die Intensitätssignale von Licht aus dem teilweise bogenförmigen Fokusbereich und die Intensitätssignale von Licht aus dem bei der Vermessung einer Bohrung oder eines Innengewindes eines Werkstücks dem Beleuchtungsmodul gegenüberliegende Raum in räumlich zueinander getrennten Bereichen des flächenförmigen Detektors erfasst werden. Durch diese Ausführungsform wird ein zusätzlicher Detektor innerhalb oder an dem konischen Element des Beleuchtungsmoduls sowie dessen Auswerteelektronik und weitere Datenkabel eingespart. In a further embodiment of the optical sensor, the space opposite the illumination module in the measurement of a bore or an internal thread of a workpiece by means of an additional detector of the sensor or the detector can be detected, wherein in the case of only one detector of the sensor, the intensity signals of light from the partially arcuate focus area and the intensity signals of light from the in the measurement of a bore or an internal thread of a workpiece opposite the illumination module space in spatially separated areas of the sheet-like detector are detected. This embodiment saves an additional detector within or on the conical element of the lighting module as well as its evaluation electronics and further data cables.
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. Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments of the invention with reference to the figures, the essential details of the invention show, and from the claims. The individual features can be realized individually for themselves or for several in any combination in a variant of the invention.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to FIGS.
In diesen zeigt In these shows
1 eine schematische Darstellung eines optischen Sensors des Standes der Technik entsprechend der 11 aus EP 2 093 536 A1 ; 1 a schematic representation of an optical sensor of the prior art according to the 11 out EP 2 093 536 A1 ;
2 eine schematische Darstellung einer ersten alternativen Ausführungsform eines konfokalen Sensors im Vergleich zu 1; 2 a schematic representation of a first alternative embodiment of a confocal sensor compared to 1 ;
3 eine schematische Darstellung einer zweiten alternativen Ausführungsform eines konfokalen Sensors im Vergleich zu 1; 3 a schematic representation of a second alternative embodiment of a confocal sensor compared to 1 ;
4 eine schematische Darstellung einer dritten alternativen Ausführungsform eines konfokalen Sensors im Vergleich zu 1; 4 a schematic representation of a third alternative embodiment of a confocal sensor compared to 1 ;
5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Sensors basierend auf der Weißlichtinterferometrie; 5 a schematic representation of an embodiment of a sensor based on the white light interferometry;
6 ein schematische Darstellung eines alternativen Beleuchtungsmoduls bzw. Sensors im Vergleich zu 3; und 6 a schematic representation of an alternative illumination module or sensor compared to 3 ; and
7 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls bzw. Sensors. 7 a schematic representation of a first embodiment of a lighting module or sensor according to the invention.
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. 1 shows an optical sensor 30 of the prior art for a coordinate measuring machine for detecting surface coordinates of a workpiece 7 comprising at least one light source 1 and at least one detector 10 as well as optical elements 2 . 3 . 4 . 5 . 6 and 9 for guiding the light on the one hand on the way from the at least one light source 1 on the surface 7a of the workpiece to be measured 7 and on the other hand on the way back from the surface 7a of the workpiece to be measured 7 to the at least one detector 10 , wherein some of the mentioned optical elements 4 . 5 . 6 and 6a be used both for the beam guidance on the way out and for the beam guidance on the way back and wherein at least one of said optical elements is a deflection element 6a This is on the way out for a redirection of light to the surface 7a of the workpiece to be measured 7 and on the way back for a deflection of the light to the at least one detector 10 ensures, on the way through the deflector 6a the focus area of the sensor 30 is formed at least partially arcuate and wherein the at least one detector 10 in terms of area for detecting intensity signals of light from this at least partially arcuate focus area is formed.
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 . The in 1 illustrated optical sensor 30 corresponds together with the reference numerals in 11 of the EP 2 093 536 A1 disclosed sensor, only the reference numeral 7a for the surface of the workpiece 7 was supplemented. Further, the optical element became 6 in the 1 not in a detached form as in the 11 of the EP 2 093 536 A1 but shown as a solid cylinder. In addition, in the 1 in contrast to the 11 more space for the light path between the collimation lens 2 and the axicon 3 granted. Another difference of the present here 1 to the 11 of the EP 2 093 536 A1 It follows that the position of the aperture 8th in the 11 below the lens 9 the position corresponds to a pupil plane and the position of the aperture 8th in the present 1 above the lens 9 was selected according to the location of the smallest constriction of the light rays. It should also be noted that in the 11 of the EP 2 093 536 A1 Light rays above the beam splitter 4 that do not exist in reality. This affects the outermost beams of light at the detector 10 of the 11 of the EP 2 093 536 A1 , Presumably, these non-existent light rays were used to clarify the pupil plane and thus the position of the diaphragm 8th in the 11 of the EP 2 093 536 A1 added. A correct representation of the light rays without these nonexistent light rays, however, can be found in the following 12 of the 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. The functioning of the in 1 represented sensor 30 is briefly explained below. In addition, the revelation of the EP 2 093 536 with regard to the operation of this sensor, which is hereby fully for the description of the sensor 30 of the 1 is referred to.
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. The in 1 illustrated sensor 30 is particularly suitable for measuring the surface coordinates of the insides of boreholes of a workpiece 7 because the sensor 30 is capable of acting on the inner wall or surface 7a in the form of a ring projected focus area of the sensor 30 completely onto the detector with just one measurement 10 map. In addition, the light of the light source 1 first through a collimating lens 2 collimated, that is aligned almost parallel to the optical axis. A subsequent axicon 3 provides for a decomposition of the parallel aligned light in a circumferentially closed ring bundle, wherein the ring bundle subsequently has a constant inclination to the optical axis. An axicon 3 in the way of the light following beam splitter 4 directs the ring bundle in the direction of a lens 5 around.
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. Due to the fact that the axicon 3 in about the plane of the front focal length of the subsequent lens 5 are located, the rays of light of the ring bundle, which have previously been approximately through the tip of the axicon and thus take their exit from a point of the optical axis, through the lens 5 aligned parallel to the optical axis. The lateral distance of these rays to the optical axis or the so-called height h is after the lens 5 then h = f · sinα, where f is the focal length of the lens 5 and α is the angle of inclination to the optical axis of the axicon 3 is. Due to the parallel alignment of these rays to the optical axis, these rays pass through the lens 5 subsequent planar optics, in particular the in a transparent cylinder 6 embedded or incorporated deflection cone 6a almost perpendicular to the inner wall to be measured 7a of the borehole or workpiece 7 and are therefore reflected in themselves, making these rays the same path for the outward and return path between beam splitters 4 and surface 7a taking. On the way back, however, these rays pass through the beam splitter 4 and get to the detector 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 30 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. The annular focus area is created by the fact that not only the rays from the axicon tip but all the rays after the axicon 3 have the same inclination angle to the optical axis. Because the axicon 3 at about the focal point of the lens 5 the plane of the axicon represents an illumination pupil plane of the sensor 30 According to the general optical Fourier relationships between field and pupil planes, even with a single lens 5 are given, collect all the rays that start in an illumination pupil plane of optics of the focal length f with the same inclination angle α, in the illumination field plane in a point with the lateral distance h = f · sinα to the optical axis. In other words, the generation of a rotationally symmetrical to the optical axis ring bundle with a constant inclination of the rays of the ring bundle to the optical axis in the illumination pupil plane of the sensor 30 through the axicon 3 due to the optical Fourier relationship of field and pupil planes automatically leads to the generation of an annular focus area in the field plane of the sensor 30 , This annular focus area generated by the inclined beams becomes the sensor 30 of the 1 through a mirrored cone 6a at the end of a transparent cylinder element 6 on the surface to be measured 7a of the workpiece 7 diverted.
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. Without generating inclined rays through the axicon 3 For example, all otherwise parallel rays would collect at a focal point on the optical axis due to h = f · sin 0 ° = 0 mm. As a result, it would not be possible, the rays with the deflection cone 6a to divert on the way and on the way back. In this case, on the return path, the beams would cut the optical axis above the cone and thus the cone for a further deflection in the direction of the detector 10 to miss.
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. In the EP 2 093 536 A1 is related to the local 1 another embodiment of a sensor 30 of the prior art. In this embodiment, successive staggered apertures are disclosed as a further possibility for the targeted selection of inclined or oblique-angle beams. However, this solution results in greater light losses due to the apertures.
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. The illuminated by the annular focus area surface portions of the surface 7a be at the sensor 30 of the 1 through two lenses 5 and 9 onto a two-dimensional detector, for example a CCD or CMOS chip. In other words, recordings of the illuminated surface sections are made by means of a digital camera. In order to determine the coordinates of the illuminated surface sections, the broadening of the recorded focal line corresponding to that in connection with FIG 12 of the EP 2 093 536 A1 be discussed method. For this purpose, reference is made to the fully incorporated EP 2 093 536 A1 and the local description of the figure for 12 directed. However, it is also possible to change the distance of the cylinder 6 and thus the deflection cone 6a opposite the rest of the sensor 30 to vary and thus make various shots of the illuminated surface portion at different focal positions. Subsequently, the best focus position and thus its coordinate can be determined by software for the respective subsection by a contrast or sharpness evaluation of the images. This method is known as focus variation. Alternatively, confocal by means of one or more apertures 8th the correct focus position in the focus variation can be determined. In this case, the focus is not optimized on the sharpness of the image but on its intensity. However, in this alternative confocal measurement technique, it may be necessary to have one or more variable apertures movable along the optical axis 8th to use the optimal position and diameter of the aperture 8th depending on the selected focus position. Such apertures are known from digital photography.
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. It should be noted that the sensor 30 of the 1 even with an exchange of the axicon 3 against another axicon which generates light rays with a larger inclination angle β, this being due to β> α to a larger distance h '= f · sinβ> h = f · sinα of the rays to the optical axis following the lens 5 would lead, however, the focus of the sensor 30 This would not change, as this only depends on the focal length of the lens 5 and possibly also in addition to the distance of the deflection cone 6a depends on the rest of the sensor. In other words, all rays emanating from a pupil plane collect in one and the same field plane, those with a large angle in the pupil gather at a large field height, and the small angle in the pupil accumulates at a small field height. However, it is not possible to shift the position of the field plane along the optical axis with a variation of the angles in the pupil.
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. The 2 shows a first embodiment of an alternative confocal sensor 31a or lighting module 41a , the or in addition to the sensor 30 of the prior art in 1 an axially movable axicon 3 and a dashed line diffractive optical element 5f or optical element with a freeform surface 5f having. The lighting module 41a is in the lower part of the 2 represented part of the sensor 31a , The dashed line between the upper part of the sensor 31a from the lens 9 upwards and the lighting module 41a from the aperture 8th downwards represents a possible and sensible parting plane between these two parts of the sensor 31a In this level, an exchange interface for switching or coupling different lighting modules to the sensor 31a be provided. These exchangeable lighting modules can be based on various measuring techniques mentioned in the beginning, according to the 3 to 5 be executed or adapted for different measurement tasks. The 3 to 5 have corresponding parting planes for exchanging or coupling different lighting modules to alternative sensors. The 6 shows an alternative lighting module 41e , which for changing or coupling to the sensor 31e is provided with an alternative parting plane.
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. First, without taking into account the dashed line element below 5f As part of the 2 explains what happens when the axicon 3 with a sensor 30 of the prior art of his in the 1 position shown in the 2 shown displacement vector a axially in the direction of the light source 1 is offset. Through this shift of the axicon 3 the inclination of the rays does not change. That is, the rays start at the former position of the axicon 3 and thus in the pupil still with the same inclination to the optical axis. However, the ring bundle is at the axicon displaced by the vector a 3 now laterally widened in the pupil, ie, the locations of the rays of the ring bundle in the pupil are farther from the optical axis than in 1 , This is in the 2 represented graphically that the rays of Axikonspitze, which in the 1 still the outer edge of the Ring bundle on the subsequent lens 5 have formed in the 2 now the inner edge of the ring bundle on the subsequent lens 5 represent. Thus, the ring bundle passes through in the 2 a further outward portion of the lens 5 as in the 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. In principle, rays of the same inclination in the pupil meet with ideal lenses according to the Fourier relation at the same field point. A real lens, on the other hand, differs slightly from this ideal because of its aberrations, and in particular the aberration of spherical aberration is responsible for collimating rays of light which meet a lens farther out at a focal point closer to the lens. This focal deviation of the real lens 5 from an ideal lens due to the spherical aberration is in the 2 is represented as a shift of the focus position by the vector b. With the help of this changed focus position, it would then be possible to another hole 7 to measure with a smaller diameter. Such a borehole is in the 2 shown in dashed lines. According to the sensor 30 shortened focal position also reduces the diameter of the borehole on the detector 10 around the vector c. The vector c is exaggerated in the figures and therefore not shown to scale.
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. However, the lens is 5 at the optical sensor 30 and at the optical sensor 31a also for the picture on the detector 10 and optically selected so that it does not have a large spherical aberration, which is the imaging and data acquisition on the detector 10 would complicate. Thus, in the 2 strongly coated focus effect of the lens 5 at the sensor 30 For example, in the prior art, it is not sufficient to provide the variation of several millimeters in focus position necessary for the measurement of an internal thread solely by changing the position of the axicon 3 provide.
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. However, it is possible this variation of focus position by an optical element 5f to provide, which instead of or in addition to the lens 5 allows a variation of the focus position. Such an element 5f may now be a diffractive optical element (DOE) and / or an optical element with a freeform optics. Both said optical elements or an element which combines both properties mentioned, are or is able to provide a corresponding focal position depending on the respective impact of the rays on the element. In the case of the optical element with free-form optics, it would be conceivable, for example, to choose a rotationally symmetrical aspherical surface form analogous to the Schmidt plate known for mirror telescopes. Such a Schmidt plate can be produced inexpensively. Also holograms, in particular so-called computer-generated holograms (CGH) are subsumed in the context of this application under the term diffractive optical elements.
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. The sensor 31a or the lighting module 41a of the 2 is characterized by the fact that a diffractive optical element 5f and / or an optical element having a free-form surface 5f at least on the way of the light to the surface 7a of the workpiece 7 between the at least one light source 1 and the surface 7a of the workpiece 7 is arranged, wherein between the at least one light source 1 and the diffrative optical element 5f and / or the optical element with the free-form surface 5f a movable and / or variable optical element 3 is arranged and wherein by means of the movable and / or variable optical element 3 the location of the light on the diffractive optical element 5f and / or the optical element with the free-form surface 5f at least on the way from the at least one light source 1 to the surface 7a of the workpiece to be measured 7 can be changed.
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. The focus variation is in the case of the sensor 31a or the lighting module 41a between 0.5 and 200 mm in order to be able to measure both internal threads and cylinder bores within engine blocks. Corresponding diffractive optical elements 5f and / or optical elements with a freeform optics 5f , which have a focal length variation of 200 mm, can be produced without much technological effort for the visible, ultraviolet or infrared wavelength range. For example, injection molds for producing aspheric plastic lenses for digital cameras have been known for many years.
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. As an optical element with a freeform look 5f are also toroidal optical element such as a ring lens or an arrangement of several nested separate ring lenses understood. Accordingly, an optical element with freeform optics 5f also consist of juxtaposed individual optical elements whose optically active surfaces represent subsections of a free-form surface.
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. Alternatively to one in the 2 illustrated axicon 3 It is also possible to use a so-called refractive optical element whose surface parcels locally reproduce the inclination of the axial surfaces in accordance with a Fresnel lens. Furthermore, the functionality of an axicon 3 be simulated by a diffractive optical element. However, both alternatives mentioned are associated with increased production costs.
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. The evaluation of the at the detector 10 the sensor according to the invention 31a recorded Intensity signals may be corresponding to those above related to the sensor 30 of the 1 already discussed methods. In this case, in particular for confocal methods, a ring stop 8th instead of in the 2 shown aperture 8th be used.
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. The 3 shows a second alternative embodiment of a sensor 31b or a lighting module 41b compared to 1 respectively. 2 in which the axially movable axicon 3 was exchanged for a changeable multi-mirror array (MMA). This multi-mirror arrangement MMA can by other angular positions of the individual micro-tilt mirror the impact on the optical element 5f and thus its focus position vary. Since multi-mirror arrangements for projectors are well known in their mode of operation, a detailed discussion in the context of this application is dispensed with. Multiple mirror arrangements MMAs can be obtained as separate units cost-effectively from different manufacturers including corresponding control software. In the process, these MMAs provided for projectors can also be used directly for the sensor 31b or the lighting module 41b be used because the optical requirements of size, tilt angle, size of the micromirrors and wavelengths in the sensor 31b or the lighting module 41b do not differ from those requesting a projector to project a computer screen onto a screen.
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. The 4 shows a third alternative embodiment for a sensor 31c or lighting module 41c at the opposite 3 the function of the optical element 5f in the surface shape of the deflecting element 6f was integrated. This deflecting element 6f has a free-form surface whose focal positions are dependent on which impact locations at the deflection 6f the rays are deflected.
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. In particular, a deflecting element 6f , in which the rotationally symmetric and aspherical freeform surface having a plane containing the symmetry axis of the freeform surface has an intersection curve and this intersection curve at least partially corresponds to a curve section of a spiral and the spiral is given from the group: Corny, Euler or clothoid spiral, the Possibility of continuously changing with the place of impact focal positions. Spiral curves usually have continuously varying curvatures with the arc length and thus continuously variable focal positions with the point of incidence. Representative of these many different focal positions are in the 4 only two different focus positions with the vectors b and B and the resulting local shifts on the detector 10 represented by the vectors c and C.
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. However, the freeform surface may take place at the bottom of the transparent cylinder 6 in the form of a mirrored surface 6f as deflection also on the top and / or the lateral surface of the cylinder 6 be educated. Alternatively, the focus variation may also be by a at the top and / or the lateral surface of the cylinder 6 trained diffractive optical element can be realized. Furthermore, corresponding differently shaped cylinder 6 by an exchange interface, not shown in the figures, between the elements 4 and 5 or the elements 5 and 6 be replaced with each other. In addition, mechanical protective sleeves for the cylinder 6 be provided. When optically transparent material is used for these mechanical protective sleeves, different wall thicknesses and / or different refractive indices of these protective sleeves can be used for further adaptation to different borehole diameters. In this respect, corresponding exchangeable protective sleeves for further adaptive adaptation are conceivable.
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. For a measurement of rotationally symmetrical boreholes or internal threads, the optical sensors of the 2 to 6 the diffractive optical element 5f a rotationally symmetric diffraction characteristic and / or has the optical element with a free-form surface 5f ; 6f a rotationally symmetrical freeform surface, so that when adjusting the movable and / or variable optical element MMA; 3 in that the places of incidence of the light are at a constant distance from the axis of symmetry of the diffractive optical element 5f and / or the optical element with freeform surface 5f ; 6f , the resulting, at least partially arcuate, in particular annularly closed focus region of the sensor for measuring inner walls 7a bores or internal threads of the workpiece 7 has a constant radial distance to the optical sensor.
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. The optical element with freeform surface is advantageous 6f in the form of a cylinder 6 in the case of the optical sensors or illumination modules of the 4 to 6 designed as a deflecting element, whose underside is provided with a mirror coating and through the freeform surface 6f is formed. The mirrored freeform surface 6f is thus due to the surrounding cylinder 6 from scratches and other damage in collisions with the workpiece 7 adequately protected.
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. The 5 shows a further alternative embodiment of a sensor 31d respectively. lighting module 41d based on white light interferometry, also known as optical coherence radar or OCT 5 shown sensor 31d corresponds to the in 4 shown sensor 31c , A multi-mirror arrangement MMA provides in conjunction with a deflection element 6f with free-form surface for a focus variation within the borehole 7 , However, the beam splitter takes care of that 4a in the embodiment of the sensor 31d of the 5 that only proportionally light from the light source 1 coming into the detection beam path in the direction of the element 6f is diverted. The remainder of the light passes through the beam splitter 4a and thus enters the reference beam path in the direction of a reference mirror R. It should be noted that due to the representation of the 5 in the A4 Shortened format of the reference beam path relative to the detection beam path is shown.
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. With the in 5 The basic structure of a Michelson interferometer shown in connection with a white light source 1 , For example, a super-luminescent diode and a, by piezo actuators, for example, adjustable in the direction of light reference mirror R, the intensity signals at the detector 10 be evaluated depending on the reference mirror position. This results in the intensity signals of the detector 10 from a superposition of the reflected light coming from the reference beam path and the detection beam path through the beam splitter 4a by means of the lens 9 , If the light paths in the reference beam path and in the detection beam path coincide, the result is a constructive interference of the light and thus an intensity signal at the detector. With increasing path length difference Δz between the detection beam path and the reference beam path, however, this intensity signal at the detector decreases. With the in the 5 illustrated optical sensor 31d Consequently, the composite signal at the detector 10 as an interference signal in the time domain (English time domain, TD) in dependence on the time-varying distance of the reference mirror R to the beam splitter 4a to be analyzed. The reference mirror R is for this purpose, for example, stimulated by piezo actuators to oscillate about its zero position and the corresponding interference signal will determine depending on the position of the mirror. The zero position of the reference mirror R can be tuned by the piezo actuators or other additional actuators to the respective set focus position. Furthermore, it is conceivable alternatively to use a rotationally symmetrical stepped reference mirror, wherein each stage corresponds to a different focus position.
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. Alternatively to the in 5 The illustrated basic structure can, with a fixed reference mirror R, be the optical sensor 31d between the beam splitter 4a and the detector 10 also have means for spectral separation of the composite signal, so that at the detector 10 the composite signal can be analyzed as an interference signal (English frequency domain, FD) decomposed into a plurality of spectral channels. For this purpose, the detector 10 be divided into several areas that record the different interference signals for different wavelengths or there may be multiple detectors 10 used side by side or spatially offset from each other. By analyzing different interference signals at different wavelengths, it can be determined which wavelength at the fixed reference mirror R has led to a corresponding interference. As a rule, a Fourier transformation of the frequency spectrum is carried out in order to obtain the corresponding spatial information therefrom. From this it is then possible to deduce the length of the detection beam path and thus the distance of the surface to be measured.
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. Further details of the measurement methods TD-OCT and FD-OCT will be found in technical literature and in particular in connection with coordinate metrology in the published patent applications DE 10 2004 012 426 and US 2010/0312524 and the references cited therein.
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 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 7 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 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 aufweisen kann. The 6 shows another alternative lighting module 41e for a sensor 31e , The lighting module 41e of the 6 is in contrast to the changeable lighting modules of the 2 to 5 retrofitted, so that it can be connected to existing optical systems. This in 6 illustrated lighting module 41e differs from the ones in the 2 to 5 illustrated lighting modules in that it is not the lens 5 contains and thus the remaining part of the sensor 31e with the lens 5 even without the lighting module a complete optical system for the optical measurement of workpieces 7 forms. This is the in 6 illustrated lighting module 41e be coupled to existing optical systems to equip these systems with a functionality for the measurement of boreholes or internal threads or retrofit. Corresponding optical systems are for example in the publications WO 2014/023332 and WO 2014/023780 disclosed. For coupling, the lighting module 41e a changeover interface, not shown, with which it can be manually or automatically coupled to existing optical systems. This change interface can according to the interface of the lighting modules or sensors of 2 to 5 be executed. Corresponding interchangeable interfaces are for example from the published patent application WO 2013/167167 known. It is understood that in 6 illustrated lighting module 41e not on the illustrated Construction is limited, but each related to the 2 to 5 discussed design of a lighting module may have.
Die 2 bis 6 offenbaren folglich Beleuchtungsmodule 41a bis 41e für einen optischen Sensor 31a bis 31e 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 31e, 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 31e 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. The 2 to 6 thus reveal lighting modules 41a to 41e for an optical sensor 31a to 31e for detecting surface coordinates of a workpiece 7 by means of a coordinate measuring machine comprising at least one light source 1 as well as optical elements 2 , MMA; 3 . 4 ; 4a ; 5 ; 6 . 6a ; 6f for guiding the light on the one hand on the way from the at least one light source 1 on the surface 7a of the workpiece to be measured 7 and on the other hand on the way back from the surface 7a of the workpiece to be measured 7 to at least one detector 10 of the optical sensor 31a to 31e , wherein some of the mentioned optical elements 4 ; 4a ; 5 ; 6 . 6a ; 6f be used both for the beam guidance on the way out as well as for the beam guidance on the way back and wherein at least one of said optical elements 6a ; 6f a deflecting element 6a ; 6f This is on the way out for a redirection of light to the surface 7a of the workpiece to be measured 7 and on the way back for a deflection of the light to the at least one detector 10 ensures, on the way through the deflector 6a ; 6f the focus area of the sensor 31a to 31e is formed at least partially arcuate and wherein a diffractive optical element 5f and / or an optical element having a free-form surface 5f ; 6f at least on the way of the light to the surface 7a of the workpiece 7 between the at least one light source 1 and the surface 7a of the workpiece 7 is arranged, wherein between the at least one light source 1 and the diffrative optical element 5f and / or the optical element with the free-form surface 5f ; 6f a movable and / or variable optical element MMA; 3 is arranged and wherein with the aid of the movable and / or variable optical element MMA; 3 the location of the light on the diffractive optical element 5f and / or the optical element with the free-form surface 5f ; 6f at least on the way from the at least one light source 1 to the surface 7a of the workpiece to be measured 7 can be changed.
Es versteht sich, dass bei allen Sensoren 31a bis 31e bzw. Beleuchtungsmodulen 41a bis 41e ein Axikon 3 statt einer Mehrfachspiegelanordnung MMA zur Variation der Lichtstrahlauftrefforte und umgekehrt eine Mehrfachspiegelanordnung MMA statt einem Axikon 3 eingesetzt werden kann. It is understood that with all sensors 31a to 31e or lighting modules 41a to 41e an axicon 3 instead of a multi-mirror arrangement MMA for varying the Lichtstrahlauftrefforte and vice versa a multi-mirror assembly MMA instead of an axicon 3 can be used.
Ferner versteht es sich, dass bei allen Sensoren 31a bis 31e bzw. Beleuchtungsmodulen 41a bis 41e 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. Furthermore, it is understood that in all sensors 31a to 31e or lighting modules 41a to 41e a diffractive optical element 5f and / or an optical element with freeform surface 5f instead of an optical deflection element with freeform surface 6f can be used for focus variation and vice versa.
Darüber hinaus versteht es sich, dass bei den Sensoren 31a; 31b; 31c und 31e bzw. Beleuchtungsmodulen 41a; 41b; 41c und 41e alternativ zu der bei dem Ausführungsbeispiel der 4 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 und 31e bzw. Beleuchtungsmodulen 41a; 41b; 41c und 41e dahingehend für eine konfokale Messtechnik verwenden, dass Aufnahmen von Bildern mit Farbauszügen oder auch durch pixelweise Farbmessung mit entsprechenden Sensoren ausgeführt werden. In addition, it goes without saying that the sensors 31a ; 31b ; 31c and 31e or lighting modules 41a ; 41b ; 41c and 41e alternatively to that in the embodiment of 4 described superluminescent diode and laser, LED (UV, VIS, IR), incandescent, halogen or (short) arc lamps as a light source 1 can be used. By using a broadband light source can also be a targeted chromatic longitudinal error of the optics used in the sensors 31a ; 31b ; 31c and 31e or lighting modules 41a ; 41b ; 41c and 41e to use a confocal measurement technique that images of images with color separations or by pixel-by-pixel color measurement with appropriate sensors are performed.
Mit Hilfe der in den 2 bis 6 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. With the help of in the 2 to 6 shown sensors and lighting modules can be drilled holes and in particular internal thread of a workpiece 7 measured by a coordinate measuring machine by, in a first step, the sensor or the illumination module by the coordinate measuring machine to a desired position within the borehole or internal thread of the workpiece 7 is moved and in a second step by means of a movable and / or variable optical element MMA; 3 of the sensor or of the illumination module, the point of incidence of the light of the at least one light source 1 on a diffractive optical element 5f and / or an optical element with the free-form surface 5f ; 6f the sensor or the illumination module at least on the way from the at least one light source 1 to the surface 7a of the workpiece to be measured 7 is changed so that the provided for surveying portions of the surface 7a of the workpiece into the focus area of the sensor or lighting module.
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. In this case, in a third step, intensity signals from the focus area of the sensor or of the illumination module are formed by a detector designed to measure intensity signals 10 depending on the position of the movable and / or variable optical element MMA; 3 of the sensor or of the illumination module and / or in dependence on the position of a reference mirror R of the sensor or illumination module which is movable in its normal direction and / or as a function of the frequency or wavelength of the detector 10 detected light detected.
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. In this case, the second step may be for a focus area changed in its lateral distance from the sensor or illumination module while maintaining the position approached in the first step or the first step for another desired one Position within the internal thread while maintaining the position of the movable and / or variable optical element MMA set in the second step; 3 of the sensor or illumination module are repeated until the complete information about the surface data of the section of the internal thread to be measured is present in the third step that follows each time. These surface data can then be decomposed by known segmentation techniques of 3D point clouds to determine the geometry of the measurement object in the corresponding geometric elements such as circle, ellipse, cylinder, ellipsoid and so on.
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. In particular, for internal threads where, for example, in ISO metric threads, the difference in core and outer diameter (nominal diameter) is between 0.3 mm (for M1) and 7 mm (for M64), it is necessary to perform both a scan along the Axis of the internal thread, as well as a focus scan over different diameters or focal positions with the sensor or the illumination module to perform to obtain the complete surface information of the internal thread with respect to the thread, the thread flanks and the thread depths. Due to the large difference between core and outer diameter (nominal diameter) in internal threads, it is usually not possible to work with only one focus position for a survey. It is understood that the scan along the axis by the change in position of the sensor or the illumination module by means of the coordinate measuring machine and the focus scan of the sensor or lighting module can be performed independently and in any combination with each other to complete information about the surface coordinates of the To obtain internal thread.
Es versteht sich, 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. It is understood that the method or the sensors can be calibrated or referenced by means of thread standards and / or can be reduced to a normal. For this purpose, workpieces are placed with several well-known internal threads on the measuring table of a coordinate measuring machine and it is the method performed by means of the sensors and the recorded dimensions of the internal thread are calibrated on the basis of the known dimensions of the internal thread.
Die 7 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors 50 bzw. Beleuchtungsmoduls 40 bei dem einerseits die anhand der 1 bis 6 beschriebenen konfokalen bzw. interferometrischen Techniken als auch andererseits die in der Veröffentlichungsschrift WO 2010/063775 genannten Techniken zur Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmessung (Triangulation) kombiniert eingesetzt werden, um einerseits hochgenaue Ortsinformationen der Innenwand eines Bohrlochs oder Innengewindes innerhalb einer kurzen Vermessungszeit und um andererseits Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit der Innenwand zeitgleich zu erhalten. Zur übersichtlichen Darstellung wurden allerdings die Strahlengänge der konfokalen bzw. interferometrischen Techniken der 1 bis 6 in der 7 nur auf der rechten Hälfte der 7 eingezeichnet. Dabei wurden die Bezugszeichen der 1 bis 6 weitestgehend übernommen. In der linken Hälfte der 7 wurden hingegen die Strahlengänge der Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik eingezeichnet. Es versteht sich, dass sowohl die Strahlengänge der konfokalen bzw. interferometrischen Messtechnik entsprechend der 1 bis 6 als auch die Strahlengänge der Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik entsprechend der Offenbarung in der Veröffentlichungsschrift WO 2010/063775 ringsherum um die in 7 strichpunktiert eingezeichnete optische Achse bzw. ringsherum um das Umlenkelement 6a vorhanden sind und nur der Übersichtlichkeit halber auf eine vollständige Darstellung aller Strahlengänge verzichtet wurde. Da die Funktionsweise der konfokalen bzw. interferometrischen Messtechnik anhand der 1 bis 6 hinlänglich beschrieben wurde, wird im Folgenden nur die Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik kurz erläutert. Für eine detaillierte Darlegung der Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik wird auf die Veröffentlichungsschrift WO 2010/063775 verwiesen, welche im Hinblick auf die Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik im Rahmen der vorliegenden Beschreibung vollumfänglich in Bezug genommen wird. The 7 shows a first embodiment of a sensor according to the invention 50 or lighting module 40 on the one hand, based on the 1 to 6 described confocal or interferometric techniques as well as the other in the publication WO 2010/063775 mentioned techniques for Lichtspaltbreiten- or light section measurement (triangulation) combined used to obtain on the one hand highly accurate location information of the inner wall of a borehole or internal thread within a short measurement time and on the other hand information about the surface texture of the inner wall at the same time. For a clear presentation, however, the beam paths of the confocal or interferometric techniques of 1 to 6 in the 7 only on the right half of the 7 located. The reference numerals of 1 to 6 largely taken over. In the left half of the 7 In contrast, the beam paths of the Lichtspaltbreiten- or Lichtschnittmesstechnik were drawn. It is understood that both the beam paths of the confocal or interferometric measuring technique corresponding to 1 to 6 as well as the beam paths of the Lichtspaltbreiten- or Lichtschnittmesstechnik according to the disclosure in the publication WO 2010/063775 around the in 7 dot-dashed optical axis or around the deflecting element 6a are present and has been omitted only for clarity, a complete representation of all beam paths. Since the operation of the confocal or interferometric measurement technique based on the 1 to 6 has been described sufficiently, only the Lichtspaltbreiten- or Lichtschnittmesstechnik is briefly explained below. For a detailed explanation of the Lichtspaltbreiten- or Lichtschnittmesstechnik is on the publication font WO 2010/063775 in the context of the present description with reference to the Lichtspaltbreiten- or Lichtschnittmesstechnik fully referenced.
Die Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik des Sensors 50 bzw. Beleuchtungsmoduls 40 der 7 basiert auf mindestens einer zweiten Lichtquelle 11 des Sensors 50 bzw. Beleuchtungsmoduls 40, deren Licht durch Kollimationsmittel 13 in Form von in der 7 eingezeichneten Linsen 13 in einen Lichtkanal 12 überführt wird, welcher durch eine Blende 17 abgeschlossen wird und an dessen offenem Ende ein Lichtspalt 15 zwischen einer Referenzkante 14 des Umlenkelements 6a und der gegenüberliegenden Innenwand eines Bohrlochs bzw. eines Innengewindes ausbildet wird. Das Licht aus dem Lichtkanal 12 sorgt nun für eine rückseitige Belichtung des Lichtspalts 15 gesehen aus Richtung des Detektors 10. Die Linsen 5 und 9 sowie der Detektor 10 bilden ein Kamerasystem für die Abbildung des rückseitig beleuchteten Lichtspaltes 15 auf den Detektor 10. Bei der Lichtspaltbreitenmessung wird nun bei sehr kleinen Spaltbreiten a einfach die Breite des aufgenommenen Lichtspalts 15 in dem auf dem Detektor 10 aufgenommenen Bild softwaretechnisch ausgewertet. Hierzu sollte die Ausleuchtung des Lichtspalts 15 durch die Lichtquelle 11 in einem Winkel zwischen 90° und 180° zur Werkstückoberfläche 7a erfolgen. Bei größeren Spaltbreiten a wird die Lichtschnittmesstechnik verwendet, welche im Folgenden anhand der 7 erläutert wird. The Lichtspaltbreiten- or Lichtschnittmesstechnik the sensor 50 or lighting module 40 of the 7 based on at least one second light source 11 of the sensor 50 or lighting module 40 whose light is through collimation 13 in the form of in the 7 drawn lenses 13 in a light channel 12 is transferred, which through an aperture 17 is completed and at the open end of a light gap 15 between a reference edge 14 of the deflecting element 6a and the opposite inner wall of a borehole or an internal thread is formed. The light from the light channel 12 now ensures a back exposure of the light gap 15 seen from the direction of the detector 10 , The lenses 5 and 9 as well as the detector 10 form a camera system for the imaging of the backlit light gap 15 on the detector 10 , In the light gap width measurement is now at very small gap widths a simply the width of the recorded light gap 15 in the on the detector 10 recorded image software evaluated. For this purpose, the illumination of the light gap should 15 through the light source 11 at an angle between 90 ° and 180 ° to the workpiece surface 7a respectively. For larger gap widths a is the Lichtschnittmesstechnik used, which in the following with reference to 7 is explained.
In der 7 sind hierzu zwei Strahlen 21 und 22 für die Abbildung des Lichtspaltes 15 der Breite a eingezeichnet. Der Lichtstrahl 22 ist dabei der Lichtstrahl, der von der Referenzkante 14 zu dem Detektor 10 gelangen kann. Dieser Lichtstrahl 22 entsteht durch die Beleuchtung der Referenzkante 14 mittels Streulicht von der beleuchteten Bohrlochinnenwand 7a. Im Gegensatz dazu ist der Lichtstrahl 21 der Lichtstrahl, der von der Innenwand 7a des Bohrlochs zu dem Detektor 10 gelangen kann. Auf dem Detektor 10 entsteht nun ein Bild des Lichtspaltes 15 im Idealfall in Form von zwei hellen und voneinander getrennten konzentrischen Kreisen, wobei ein Kreis die Lage der Referenzkante und der andere Kreis die Lage der Borlochinnenwand wiedergibt. Aus diesen Lagen lässt sich mittels Triangulation die Breite a des Lichtspalts 15 ermitteln. Entsprechende Software-Algorithmen zur Auswertung bzw. Triangulation von Abständen von Intensitätssignalen eines aufgenommenen Bildes eines CCD- oder CMOS-Chips als Detektor 10 sind hinlänglich bekannt und bedürfen daher keiner näheren Erläuterung. Abweichungen von den konzentrischen Kreisen der Intensitätssignalen auf dem Detektor 10 ergeben sich zum Beispiel in Form von Ellipsen für den Falls eines gegenüber der Bohrlochachse gekippten Sensors 50. In the 7 are two beams for this purpose 21 and 22 for the image of the light gap 15 the width a drawn. The light beam 22 is the light beam from the reference edge 14 to the detector 10 can get. This ray of light 22 created by the illumination of the reference edge 14 by means of scattered light from the illuminated borehole inner wall 7a , In contrast, the light beam 21 the ray of light coming from the inner wall 7a of the borehole to the detector 10 can get. On the detector 10 Now an image of the light gap is created 15 ideally in the form of two bright and separate concentric circles, one circle representing the position of the reference edge and the other representing the position of the borehole inner wall. From these positions, the width a of the light gap can be determined by triangulation 15 determine. Corresponding software algorithms for evaluation or triangulation of distances of intensity signals of a recorded image of a CCD or CMOS chip as a detector 10 are well known and therefore require no further explanation. Deviations from the concentric circles of the intensity signals on the detector 10 result, for example, in the form of ellipses for the case of a tilted relative to the borehole axis sensor 50 ,
Sowohl die Lichtspaltbreitenmesstechnik für kleine Spaltbreiten a als auch die Lichtschnittmesstechnik für größere Spaltbreiten a sind im Hinblick auf die Rauheit bzw. Oberflächentextur der Bohrlochinnenwand 7a sensitiv. Alle Lichtstrahlen, die aufgrund dieser beiden Messtechniken zum Detektor 10 gelangen, basieren auf Streulicht, welches z.B. bei einer perfekt spiegelnden Bohrlochinnenwand 7a nicht vorliegen würde. Insofern lässt sich aus den Intensitätssignalen und/oder den Verbreiterungen der Intensitätssignalen dieser Messtechniken auf die Streueigenschaft der Bohrlochinnenwand 7a und somit auf deren Rauheit bzw. Oberflächentextur schließen. Die konfokale bzw. interferometrische Messtechnik ist im Vergleich hierzu nicht sensitiv auf das Streulichtverhalten der Bohrlochinnenwand 7a. Both the light slit width measurement technique for small slit widths a and the light slit measurement technique for larger slit widths a are in view of the roughness or surface texture of the borehole inner wall 7a sensitive. All rays of light, due to these two measurement techniques to the detector 10 are based on scattered light, which, for example, in a perfectly reflective borehole inner wall 7a would not be present. In this respect, the intensity signals and / or the broadening of the intensity signals of these measurement techniques can be used to determine the scattering property of the borehole inner wall 7a and thus close to their roughness or surface texture. In comparison, the confocal or interferometric measurement technique is not sensitive to the scattered light behavior of the borehole inner wall 7a ,
Auf dem Detektor 10 werden somit innerhalb zweier räumlich getrennter Bereiche oder Zonen des Detektors unterschiedliche Intensitätssignale basierend auf unterschiedlichen Messprinzipien hinsichtlich der Ortskoordinaten der Oberfläche bei der Vermessung von Bohrlöchern erhalten, wobei die einen Intensitätssignale Streulichtsensitiv und die anderen Streulichtunabhängig sind. Dabei bietet die konfokale bzw. interferometrische Messtechnik die höhere absolute Genauigkeit und kann daher bei Bohrlöchern dazu genutzt werden, die Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik zu kalibrieren. Darüber hinaus bietet die Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik die Möglichkeit, die vom Lichtspalt 15 gewonnenen Bilder im Hinblick auf den Streulichtanteil zu untersuchen und somit auf die Oberflächenstruktur bzw. Rauheit der Innenwand 7a des Bohrlochs zurückzuschließen. Bei der Vermessung eines Innengewindes hingegen liegt eine redundante Ortsinformation der Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik und der konfokalen bzw. interferometrischen Messtechnik nur für die Stellen des Innengewindes vor, an denen die Innenkante des Gewindes innerhalb des Auswertebereichs der Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik liegt. Eine vollständige Erfassung der Ortsinformation des Innengwindes kann folglich nur über die konfokale bzw. interferometrische Messtechnik erfolgen. Allerdings können durch die Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik Informationen über die Oberflächenstruktur bzw. Rauheit des Innengewindes gesammelt werden, welche über die konfokale bzw. interferometrische Messtechnik nicht zugänglich sind. On the detector 10 Thus, within two spatially separated areas or zones of the detector, different intensity signals are obtained based on different measurement principles with respect to the spatial coordinates of the surface during the measurement of boreholes, wherein the one intensity signals scattered light sensitive and the other scattered light are independent. The confocal or interferometric measuring technique offers the higher absolute accuracy and can therefore be used in boreholes to calibrate the light gap width or light section measurement technique. In addition, the Lichtspaltbreiten- or Lichtschnittmesstechnik offers the possibility of the light gap 15 obtained images with respect to the proportion of scattered light to investigate and thus on the surface structure or roughness of the inner wall 7a close back the borehole. In the measurement of an internal thread, however, is a redundant location information of Lichtspaltbreiten- or Lichtschnittmesstechnik and the confocal or interferometric measurement only for the locations of the internal thread, where the inner edge of the thread is within the evaluation of the Lichtspaltbreiten- or Lichtschnittmesstechnik. A complete detection of the location information of Innengwindes can therefore be done only on the confocal or interferometric measurement technique. However, information about the surface structure or roughness of the internal thread can be collected by the Lichtspaltbreiten- or Lichtschnittmesstechnik, which are not accessible via the confocal or interferometric measurement technique.
Der in 7 dargestellte erfindungsgemäße Sensor 50 bzw. das Beleuchtungsmodul 40 weisen eine zusätzliche Kamera bestehend aus einem Objektiv 18 und einem Detektor 20 auf. The in 7 illustrated inventive sensor 50 or the lighting module 40 have an additional camera consisting of a lens 18 and a detector 20 on.
Die Kamera dient dazu, den vor der Kamera befindliche Raum 19 dem Bediener eines Koordinatenmessgeräts auf einem Monitor anzuzeigen, um somit zum Beispiel Kollisionen mit dem Werkstück 7 vorzubeugen. Darüber hinaus ist es möglich, den Raum 19 mit Hilfe der Kamera in seiner Tiefe zu vermessen. Dabei muss die Messgenauigkeit zur Vermessung des Raums 19 lediglich dazu ausreichen, einen sinnvollen Prüfplan des Werkstücks zu gewährleisten. In der 7 ist hierzu beispielhaft ein Blickkegel der Kamera gerichtet auf die Endung 25 des Bohrlochs des Werkstücks 7 dargestellt. Bevorzugt ist das Objektiv 18 der Kamera dabei als Weitwinkelobjektiv ausgeführt, um möglichst viel von dem gegenüberliegenden Raum 19 zu erfassen. Alternativ zu einer Unterbringung der Kamera in oder am Umlenkelement 6a kann das Umlenkelement 6a auch eine entsprechende zentrale Durchgangsöffnung aufweisen, durch die hindurch der dem Beleuchtungsmodul 40 bzw. dem Sensor 50 gegenüberliegende Raum 19 durch einen zusätzlichen Detektor 20 oder auch den Detektor 10 erfasst werden kann. Der zusätzliche Detektor 20 kann sich dabei in der Nähe des in der 10 eingezeichneten Detektors 10 befinden oder der Detektor 10 selbst übernimmt auch die zusätzliche Aufgabe innerhalb eines weiteren räumlich von den anderen beiden Bereichen bzw. Zonen getrennten Bereichs die Bilder des Raums 19 aufzunehmen. Hierzu könnte es eventuell notwendig sein, die Abbildungsleistung des Linsen 5 und 9 durch zusätzliche optische Elemente innerhalb oder in der Nähe der zentralen Durchgangsöffnung des Umlenkelements 6a zu unterstützen. Insbesondere stark gekrümmte zusätzliche Domlinsen könnten für eine Gewährleistung von Weitwinkelaufnahmen hierzu notwendig sein. Ferner könnte ein abbildender Lichtleiter innerhalb der Durchgangsöffnung alternativ zu den Linsen 5 und 9 für eine Abbildung des dem Beleuchtungsmodul 40 bzw. dem Sensor 50 gegenüberliegenden Raumes 19 durch die Durchgangsöffnung hindurch auf den zusätzlichen Detektor 20 oder auch den Detektor 10 sorgen. Bei einer Weitwinkeloptik wird hierbei ein Erfassungsbereich von 100° bis 140° als besonders vorteilhaft angesehen. Typischerweise sind die Kegelwinkel an Bohrern im Bereich von 45°, so dass ein entsprechender Sensor 50 sogar die von solchen Bohrern erzeugte Endflächen sicher erkennen kann. Eine sichere Detektion des Lochendes ist somit möglich. Ferner kann auch die Lochmitte entsprechend gut für eine Zentrierung des Sensors 50 erkannt werden. Hierzu kann eine eigene Hellfeldbeleuchtung des Sensors 50 vorgesehen sein oder es kann das Licht aus dem Lichtkanälen 12 parasitär nach der Reflektion bzw. Streuung an der Bohrlochinnenwand 7a genutzt werden. Ebenso ist eine transparente Blende 17 denkbar. The camera is used to the space in front of the camera 19 the operator of a coordinate measuring machine on a monitor, thus, for example, collisions with the workpiece 7 submissions. In addition, it is possible the room 19 with the help of the camera to measure in its depth. Thereby the measuring accuracy has to measure the space 19 only sufficient to ensure a meaningful inspection plan of the workpiece. In the 7 is an example of a view of the camera directed at the ending 25 the borehole of the workpiece 7 shown. The lens is preferred 18 The camera is designed as a wide-angle lens, as much as possible from the opposite room 19 capture. Alternatively to housing the camera in or on the deflecting element 6a can the deflecting element 6a also have a corresponding central passage opening through which the illumination module 40 or the sensor 50 opposite room 19 through an additional detector 20 or the detector 10 can be detected. The additional detector 20 can be close to that in the 10 drawn detector 10 or the detector 10 even the additional task takes over the pictures of the room within another area spatially separated from the other two areas or zones 19 take. For this purpose, it might be necessary, the imaging performance of the lenses 5 and 9 by additional optical elements within or in the vicinity of the central passage opening of the deflecting element 6a to support. In particular strongly curved additional Domlinsen could for a Ensuring wide-angle shots to be necessary. Further, an imaging fiber could be alternative to the lenses within the via 5 and 9 for a picture of the lighting module 40 or the sensor 50 opposite room 19 through the passage opening to the additional detector 20 or the detector 10 to care. In the case of a wide-angle optical system, a detection range of 100 ° to 140 ° is considered to be particularly advantageous. Typically, the cone angles on drills are in the range of 45 °, so that a corresponding sensor 50 even the end surfaces produced by such drills can reliably detect. A secure detection of the hole end is thus possible. Furthermore, the hole center can be correspondingly good for centering the sensor 50 be recognized. For this purpose, a separate bright field illumination of the sensor 50 be provided or it may be the light from the light channels 12 parasitic after reflection or scattering at the borehole inner wall 7a be used. Likewise, a transparent panel 17 conceivable.
Alternativ zu einer Weitwinkeloptik könnte auch eine telezentrische Optik zur präzisen Vermessung des dem Beleuchtungsmodul 40 bzw. dem Sensor 50 gegenüberliegenden Raumes 19 eingesetzt werden. As an alternative to wide-angle optics, telecentric optics could also be used to precisely measure the illumination module 40 or the sensor 50 opposite room 19 be used.
Bei dem beschriebenen alternativen Sensor 50 bzw. Beleuchtungsmodul 40 mit zentraler Durchgangsöffnung am Umlenkelement 6a kann allerdings die in der 7 schraffiert eingezeichnete zentrale stabförmige Aufhängung 16 des Umlenkelements 6a an der Linse 5 nicht mehr genutzt werden, so dass eine alternative Aufhängung zum Beispiel am Rand der Fassung von Linse 5 und am Rand des Umlenkelements 6a angedacht werden muss. Alternativ ist es bei entsprechender Auslegung auch möglich, die zentrale Aufhängung 16 durch eine zentrales Aufhängungsrohr zu ersetzen, so dass die Lichtstrahlen für die zentrale Abbildung des Raums 19 innerhalb des Aufhängungsrohres und innerhalb der Durchgangsöffnung des Umlenkelements 6a verlaufen. Die Lichtstrahlen für die konfokale bzw. interferometrische Messtechnik sowie für die Lichtspaltbreiten- bzw. Lichtschnittmesstechnik verlaufen dann analog zu der Darstellung in 7 außerhalb des Aufhängungsrohres. Ein Aufhängungsrohr bietet zudem im Gegensatz zu der in 7 dargestellten stabförmigen Aufhängung 16 die Möglichkeit, Versorgungsleitungen zum Beispiel zur Versorgung der Lichtquellen 11 innerhalb des Aufhängungsrohres zu verlegen. In the described alternative sensor 50 or lighting module 40 with central passage opening on the deflection element 6a However, in the 7 hatched central rod-shaped suspension 16 of the deflecting element 6a at the lens 5 no longer used, so an alternative suspension, for example, on the edge of the lens 5 and at the edge of the deflecting element 6a must be considered. Alternatively, it is also possible with appropriate design, the central suspension 16 by replacing a central suspension tube, allowing the light rays for the central image of the room 19 within the suspension tube and within the passage opening of the deflecting element 6a run. The light beams for the confocal or interferometric measuring technique as well as for the Lichtspaltbreiten- or Lichtschnittmesstechnik then proceed analogously to the representation in 7 outside the suspension tube. A suspension tube also offers in contrast to the in 7 illustrated rod-shaped suspension 16 the possibility of supply lines, for example, to supply the light sources 11 to install within the suspension tube.
Der Detektor 10 des alternativen Sensors 50 bzw. Beleuchtungsmoduls 40 mit zentraler Durchgangsöffnung am Umlenkelement 6a weist somit drei Zonen oder Bereiche auf, wobei die innere Zone für die zentrale Abbildung des Raums 19, die mittlere Zone für die konfokale bzw. interferometrische Messtechnik und die äußere Zone für die Lichtspaltbreitenmesstechnik zuständig ist. Bei einem solchen Detektor 10 ist es sinnvoll, die aufgrund der rechteckigen Chipbauform ungenutzten Eckbereiche abzuschalten oder diese außerhalb der äußeren Zone liegenden Pixelbereiche für andere Messaufgaben zu nutzen. Statt eines Detektors 10 können auch weitere oder zusätzliche Detektoren verwendet werden, die eine oder mehrere der genannten Zonen erfassen. Ferner müssen diese Zonen nicht in einer gemeinsamen Ebene wie in 7 dargestellt zusammenfallen. Es ist denkbar, dass die drei verschiedenen Abbildung in unterschiedliche Bildebenen abgebildet werden und dort durch entsprechende Detektoren erfasst werden. Ferner ist es denkbar, dass die unterschiedlichen Bildebenen nicht eben im mathematischen Sinne sein müssen, sondern auch gekrümmt sein können. Entsprechend können die weiteren oder zusätzlichen Detektoren dann auch gekrümmt gestaltet sein oder schräg zueinander im Raum angeordnet sein. The detector 10 of the alternative sensor 50 or lighting module 40 with central passage opening on the deflection element 6a thus has three zones or areas, with the inner zone for the central image of the room 19 , the middle zone is responsible for the confocal or interferometric measurement technology and the outer zone for the light gap width measurement technology. In such a detector 10 For example, it may be useful to switch off the corner areas which are not used due to the rectangular chip design, or to use these pixel areas located outside the outer zone for other measuring tasks. Instead of a detector 10 It is also possible to use additional or additional detectors which detect one or more of the mentioned zones. Furthermore, these zones do not have to be in a common plane as in 7 shown coincide. It is conceivable that the three different images are imaged in different image planes and are detected there by corresponding detectors. Furthermore, it is conceivable that the different image planes do not have to be precisely in the mathematical sense, but can also be curved. Accordingly, the further or additional detectors can then also be curved or arranged at an angle to each other in space.
Das in der 7 eingezeichnete Beleuchtungsmodul 40 kann an der gestrichelt eingezeichneten Ebene durch eine Wechselschnittstelle an den Sensor 50 entsprechend der zu den 2 bis 5 beschriebenen Beleuchtungsmodule 41a bis 41d eingewechselt werden. Analog ist es jedoch auch entsprechend dem in 6 dargestellten Beleuchtungsmodul 41e denkbar, die Linse 5 des Beleuchtungsmoduls 40 bzw. Sensors 50 zu verschieben, so dass die Wechselschnittstelle zwischen dem Beleuchtungsmodul 40 und dem Sensor 50 vor der Linse 5 zu liegen kommt und die Linse 5 somit Bestandteil des restlichen Sensors 50 wird. Ein solches alternatives Beleuchtungsmodul 40 kann dann analog dem Beleuchtungsmodul 41e der 6 an bestehende optische Sensoren von Koordinatenmessgeräten nachrüstbar angekoppelt werden. That in the 7 drawn lighting module 40 can at the dashed line drawn by an interface to the sensor 50 according to the to the 2 to 5 described lighting modules 41a to 41d be changed. Analogously, however, it is also according to the in 6 illustrated lighting module 41e conceivable, the lens 5 of the lighting module 40 or sensors 50 to move, so that the interface between the lighting module 40 and the sensor 50 in front of the lens 5 comes to rest and the lens 5 thus part of the rest of the sensor 50 becomes. Such an alternative lighting module 40 can then be analogous to the lighting module 41e of the 6 be retrofitted coupled to existing optical sensors of coordinate measuring machines.
Es versteht sich, dass die oben im Zusammenhang mit den 2 bis 6 diskutierten Verfahrensschritte analog mit dem zu 7 diskutierten Sensor 50 bzw. Beleuchtungsmodul 40 durchgeführt werden können. It is understood that the above related to the 2 to 6 discussed method steps analogous to the 7 discussed sensor 50 or lighting module 40 can be performed.
Ferner versteht es sich, dass verschiedene Umlenkelemente 6a zur Anpassung an verschiedene Durchmesser an einer in der 7 nicht näher dargestellten Wechselschnittstelle oberhalb der stabförmigen Aufhängung 16 an der Linse 5 eingewechselt werden können. Furthermore, it is understood that various deflecting elements 6a to adapt to different diameters at a in the 7 not shown change interface above the rod-shaped suspension 16 at the lens 5 can be changed.
Darüber hinaus versteht es sich, dass bei einem alternativen Aufbau des Beleuchtungsmoduls bzw. Sensors, bei dem die Referenzkante in Form eines separaten Bauteils ausgebildet ist, dieses separate Bauteil selbst wiederum eine Wechselschnittstelle zum Tausch unterschiedlicher Bauteile mit unterschiedlichen Referenzkanten zur Durchmesseranpassung aufweisen kann. Moreover, it is understood that in an alternative construction of the illumination module or sensor, in which the reference edge is formed in the form of a separate component, this separate component itself in turn has an exchange interface for exchanging different components may have different reference edges for diameter adjustment.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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WO 2014/023780 [0064] WO 2014/023780 [0064]
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WO 2013/167167 A [0064] WO 2013/167167 A [0064]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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Dresel et al. „Three-dimentional sensing of rough surfaces by coherence radar“ APPLIED OPTICS, Vol. 31, No. 7, March 1992, P. 919–925 [0002] Dresel et al. "Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar" APPLIED OPTICS, Vol. 7, March 1992, p. 919-925 [0002]
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DIN A4 [0060] DIN A4 [0060]
