DE102015213698B3 - Illumination system suitable for applications in metrology and coordinate measuring machine with such a lighting system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem 30; 30a; 50; 50a; 50b; 50c; 60; 70; 80; 90 zur Erzeugung eines Auflicht-Hellfeldes für Messtechnikanwendungen umfassend mehrere Lichtquellen 31, 32, 33 mit zueinander unterschiedlichen Emissionsspektren und mindestens einen dichroitischen Strahlteiler 35 zur Überlagerung bzw. Zusammenführung des Lichts von zumindest zwei der Lichtquellen 31, 32, 33 entlang einer optischen Achse des Beleuchtungssystems 30; 30a; 50; 50a; 50b; 50c; 60; 70; 80; 90, wobei auf dem Lichtweg von den Lichtquellen 31, 32, 33 zu dem zu beleuchtenden Feld des Beleuchtungssystems 30; 30a; 50; 50a; 50b; 50c; 60; 70; 80; 90 zwischen den Lichtquellen 31, 32, 33 und dem mindestens einen Strahlteiler 35 und/oder zwischen dem mindestens einen Strahlteiler 35 und dem zu beleuchtenden Feld mindestens ein erstes Homogenisierungsmittel 37a, 38a, 39a, 40; 41; 51, 52, 53 zur Lichtmischung vorgesehen ist und wobei das mindestens eine Homogenisierungsmittel 37a, 38a, 39a, 40; 41; 51, 52, 53 zur Lichtmischung ausgewählt oder zusammengesetzt ist aus den optischen Elementen der Gruppe: Stabintegratoren, Hohlraumintegratoren, Faserbündel, Linsen- und/oder Spiegel-Arrays, und wobei auf oder an dem mindestens einen dichroitischen Stahlteiler (35) mindestens eine erste Sammellinse (37, 38, 39; 37a, 38a, 39a; 55; 55a) mittels additiver Bearbeitungsverfahren, abtragender Bearbeitungsverfahren und/oder durch das Aufbringen eines getrennt gefertigten optischen Elementes in Form einer Asphäre, einer Fresnel-Linse und/oder eines diffraktiven optischen Elements (DOE) ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Koordinatenmessgerät mit einem solchen Beleuchtungssystem 30; 30a; 50; 50a; 50b; 50c; 60; 70; 80; 90.The invention relates to a lighting system 30; 30a; 50; 50a; 50b; 50c; 60; 70; 80; 90 for generating an incident light bright field for metrology applications comprising a plurality of light sources 31, 32, 33 with mutually different emission spectra and at least one dichroic beam splitter 35 for superimposing or merging the light from at least two of the light sources 31, 32, 33 along an optical axis of the illumination system 30; 30a; 50; 50a; 50b; 50c; 60; 70; 80; 90, wherein on the light path from the light sources 31, 32, 33 to the field to be illuminated of the illumination system 30; 30a; 50; 50a; 50b; 50c; 60; 70; 80; 90 between the light sources 31, 32, 33 and the at least one beam splitter 35 and / or between the at least one beam splitter 35 and the field to be illuminated at least a first homogenization means 37a, 38a, 39a, 40; 41; 51, 52, 53 is provided for light mixing and wherein the at least one homogenizing agent 37a, 38a, 39a, 40; 41; 51, 52, 53 is selected or composed of the optical elements of the group: rod integrators, cavity integrators, fiber bundles, lens and / or mirror arrays, and wherein on or at least one dichroic steel divider (35) comprises at least a first convergent lens (37, 38, 39, 37a, 38a, 39a, 55, 55a) by means of additive machining processes, ablative machining processes and / or by the application of a separately manufactured optical element in the form of an aspheric, a Fresnel lens and / or a diffractive optical element (DOE) is formed. Furthermore, the invention relates to a coordinate measuring machine with such a lighting system 30; 30a; 50; 50a; 50b; 50c; 60; 70; 80; 90th
Description
Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem für Anwendungen in der Metrologie sowie ein Koordinatenmessgerät umfassend ein solches Beleuchtungssystem.The invention relates to a lighting system for applications in metrology and a coordinate measuring machine comprising such a lighting system.
In abbildenden Systemen im Bereich der Koordinatenmesstechnik werden im Allgemeinen Lichtquellen benötigt, wenn ein Objekt abgebildet werden soll, denn nur in extrem seltenen Fällen handelt es sich um selbstleuchtende Objekte. Ähnlich selten reicht die Umgebungsbeleuchtung aus, um die Objekte in gewünschter Qualität abbilden zu können. „Abbildungsqualität” wird im Allgemeinen ausgehend vom menschlichen Empfinden, d. h. dem Sehsinn, abgeleitet als Dreiklang aus Farbechtheit, Schärfe und Kontrast bewertet. Während im zunehmend an Bedeutung gewinnenden Bereich der Computer- bzw. Machine-Vision gewisse Defizite in der Abbildungsqualität nachträglich korrigiert werden können, existieren auch Fehler, welche nicht rechnerisch korrigiert werden können. Diese rechnerische Korrektur gelingt regelmäßig nicht, wenn keine ein-eindeutige Zuordnung des Fehlers im Bild zu dem ihn verursachenden Abbildungsfehler des abbildenden Systems möglich ist. Mathematisch bedeutet dies, dass keine bijektive Abbildung von Abbildungsfehler des Systems auf den beobachteten Effekt in der Bildebene des abbildenden Systems bzw. keine Entfaltung der Abbildungsfehler möglich ist.In imaging systems in the field of coordinate metrology, light sources are generally needed when an object is to be imaged, because only in extremely rare cases are it self-luminous objects. The ambient lighting is just as rare enough to display the objects in the desired quality. "Image quality" is generally based on human perception, i. H. the sense of sight, derived as a triad of color fastness, sharpness and contrast. While in the increasingly important area of computer vision or machine vision, certain deficits in the image quality can be subsequently corrected, there are also errors which can not be corrected by calculation. This mathematical correction does not succeed regularly if no unambiguous assignment of the error in the image to the imaging error causing it of the imaging system is possible. Mathematically, this means that no bijective imaging of aberrations of the system on the observed effect in the image plane of the imaging system or no development of aberrations is possible.
Die Abbildungsfehler können dabei sowohl vom eigentlichen abbildenden System verursacht werden als auch vom Beleuchtungssystem. Während üblicherweise sehr viel Sorgfalt auf die Konstruktion und Auslegung der eigentliche abbildenden Optik verwendet wird (klassisch: „Objektiv”), wird aus Kostengründen bei der Beleuchtung häufig ein deutlich geringerer Aufwand betrieben. Im oberen Preissegment der Licht-Mikroskopie sowie in der Halbleiter-Lithographie trifft dies nicht zu, d. h. dort werden sowohl für die Beleuchtung als auch für die Projektion technisch optimale Lösungen gesucht. Der damit verbundene fertigungstechnische, apparative und daraus folgende Kosten- und Bauraumaufwand ist zum Teil beträchtlich und schließt aus einem oder mehreren der genannten Aspekte eine Verwendung der für die Mikroskopie und Halbleiter-Lithografie entwickelten Technologien im Low-Cost Bereich der Metrologie-Beleuchtungssysteme aus.The aberrations can be caused both by the actual imaging system and by the lighting system. While usually a great deal of care is taken on the design and interpretation of the actual imaging optics (classic: "lens"), a much lower cost is often operated for cost reasons in the lighting. In the upper price segment of light microscopy and in semiconductor lithography this is not true, d. H. There, technically optimal solutions are sought for both lighting and projection. The associated manufacturing, equipment and consequent cost and space requirements is sometimes considerable and excludes from one or more of the above aspects, a use of developed for microscopy and semiconductor lithography technologies in the low-cost range of metrology lighting systems.
Darüber hinaus ist im Low-Cost Bereich für die Erreichung hoher Beleuchtungsintensitäten die Verwendung vergleichsweise ineffizienter Lichtquellen gängige Praxis, wodurch große Mengen an Abwärme erzeugt wird. Insbesondere im Bereich der optischen Koordinatenmesstechnik ist ein solcher Wärmeeintrag in das Messgerät schädlich, da der Wärmeeintrag sich nur in seltenen Fällen rechnerisch kompensieren lässt. Dieser Wärmeeintrag kann jedoch umgangen werden, indem die Lichtleistung über Lichtleiter eingekoppelt wird. Dies bedeutet jedoch wiederum einen wenigstens erhöhten Konstruktions- und Kostenaufwand. Ferner sind die Lichtleiter nicht verlustfrei, d. h. sie absorbieren und reduzieren so unter Umständen die erreichbaren Beleuchtungsstärken. Darüber hinaus können die Lichtleiterlängen in größeren Maschinen beträchtliche Längen annehmen. Zusätzlich können die notwendigen, nicht zu unterschreitenden Biegeradien der Lichtleiter die Maschinenkonstruktion verkomplizieren bzw. stehen einer kompakten Bauform regelmäßig entgegen.Moreover, in the low-cost area, the use of comparatively inefficient light sources is common practice for achieving high illumination intensities, producing large amounts of waste heat. In particular, in the field of optical coordinate metrology, such a heat input into the meter is harmful because the heat input can be computationally compensated only in rare cases. However, this heat input can be bypassed by the light power is coupled via optical fibers. However, this in turn means at least increased design and cost. Furthermore, the light guides are not lossless, d. H. they absorb and thus reduce the achievable illuminance under certain circumstances. In addition, the optical fiber lengths can take considerable lengths in larger machines. In addition, the necessary, not to be exceeded bending radii of the optical fiber can complicate the machine design or stand against a compact design regularly.
Für Metrologie-Beleuchtungssysteme werden in den meisten Anwendungen variable Beleuchtungseinstellungen benötigt, da unterschiedliche Objekte mit unterschiedlichen Beleuchtungen beleuchtet werden müssen. Variable Beleuchtungen setzen für geringstmögliche Wärmeeintragsänderungen einen höchstmöglichen Grad an Effizienz voraus. Als Effizienz wird im Rahmen dieser Erfindung der Quotient von der Lichteinkopplung in das Beleuchtungssystem zu dem Wärmeeintrag in das Messgerät verstanden, wobei unter Lichteinkopplung in das Beleuchtungssystem hierbei das Energieäquivalent der in das Beleuchtungssystem gelangenden Lichtmenge verstanden wird.For metrology lighting systems, variable illumination settings are needed in most applications because different objects must be illuminated with different illuminations. Variable lighting requires the highest possible degree of efficiency for minimum heat input changes. In the context of this invention, the efficiency is understood to be the quotient of the light coupling into the illumination system for the heat input into the measuring device, wherein the light equivalent in the illumination system is understood here to be the energy equivalent of the light quantity entering the illumination system.
Unter diesem Gesichtspunkt der Effizienz sind Einkopplungen des Lichtes in das Beleuchtungssystem durch Lichtleiter ideal, da hierfür der Wärmeintrag in das Messgerät gegen Null tendiert. Diese Systeme sind allerdings – wie bereits dargelegt – aufwendig und teuer. Ferner sind unter dem Gesichtspunkt der Effizienz LEDs die günstige Lösung für Lichtquellen. Laser als Lichtquellen würden ähnliche oder sogar noch etwas höhere Effizienzen ermöglichen, allerdings ist ihre Eigenschaft der kohärenten Beleuchtung für die Bildgebung häufig schädlich. Zudem sind bei hohen Intensitäten häufig aufwendige Sicherheitsauflagen zu beachten, welche die Verwendung von Lasern nur für isolierte Spezialanwendungen rechtfertigen. Bogen- und Gasentladungslampen erreichen bei entsprechender Ausführung ebenfalls einen hohen Grad an Effizienz, werden aber aufgrund des hohen technischen Aufwandes auch nur für Spezialanwendungen in Betracht kommen.From this viewpoint of efficiency, couplings of the light into the illumination system by optical fibers are ideal since the heat input into the meter tends to zero. However, these systems are - as already stated - consuming and expensive. Further, from the viewpoint of efficiency, LEDs are the favorable solution for light sources. Lasers as light sources would allow similar or even slightly higher efficiencies, but their feature of coherent illumination is often detrimental to imaging. In addition, at high intensities often elaborate safety requirements are to be observed, which justify the use of lasers only for isolated special applications. Arc and gas discharge lamps also achieve a high degree of efficiency with appropriate design, but are due to the high technical complexity and only for special applications into consideration.
Für viele Anwendungen in der optischen Messtechnik werden keine monochromatischen Beleuchtungen gewünscht, sondern Mehrfarben-Beleuchtungen. Die benötigte Mehrfarbigkeit variiert dabei im einfachsten Fall von zwei-Farben-Beleuchtungen bis hin zu aufwendigen Modulen, die eine Vielzahl von unterschiedlichen Wellenlängen zum Beispiel für die Anregungs- bzw. Fluoreszenz-Mikroskopie bereit stellen. Für diese Fluoreszenz-Mikroskopie werden im Allgemeinen Strahlüberlagerungen von verschiedenen sich im Emissionsspektrum unterscheidenden Lichtquellen in Kaskaden von dichroitischen Strahlteilern herbeigeführt unter Inkaufnahme der damit verbundenen Produktions-, Montage und Justagekosten. Für Zwei-Farben-Beleuchtungen ist eine Überlagerung auf einem dichroitischen Strahlteiler die einfachste Lösung. Für eine üblicherweise gewünschte RGB-Beleuchtung ist die dichroitische Überlagerung in einem sog. X-Cube die zweckmäßigste Lösung. Eine Überlagerung auf zwei kreuzweise angeordneten dichroitischen Strahlteilern erreicht zwar die kompakte Bauform des X-Cubes, ist aber hinsichtlich der Beleuchtungsqualität unterlegen, da sich im Beleuchtungsstrahl eine Schattenlinie bildet.For many applications in optical metrology, monochromatic illumination is not desired, but multi-color illumination. The required multicolor varies in the simplest case of two-color illuminations to elaborate modules that provide a variety of different wavelengths, for example, for excitation and fluorescence microscopy. For this fluorescence microscopy are generally beam overlays of different light sources differing in the emission spectrum in cascades of dichroic beam splitters at the expense of the associated production, assembly and adjustment costs. For two-color illumination, overlaying a dichroic beam splitter is the simplest solution. For a typically desired RGB illumination, the dichroic overlay in a so-called X-Cube is the most appropriate solution. Although an overlay on two crosswise arranged dichroic beam splitters achieves the compact design of the X-Cube, it is inferior in terms of illumination quality, since a shadowline forms in the illumination beam.
Ausgehend von diesem genannten Stand der Technik und den dargelegten Problemen ist es somit die Aufgabe der Erfindung, ein einfaches, kompaktes, effizientes und kostengünstiges Mehrfarben-Beleuchtungssystem für metrologische Anwendungen und ein entsprechendes Koordinatenmessgerät bereitzustellen, das eine homogene Überlagerung der Farben sowohl im Feld als auch in der Pupille des Beleuchtungssystems ermöglicht.On the basis of this cited prior art and the problems outlined, it is therefore the object of the invention to provide a simple, compact, efficient and cost-effective multicolour illumination system for metrological applications and a corresponding coordinate measuring machine, which permits homogeneous superimposition of the colors both in the field and in the field in the pupil of the illumination system.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Beleuchtungssystem zur Erzeugung eines Auflicht-Hellfeldes für Messtechnikanwendungen umfassend mehrere Lichtquellen mit zueinander unterschiedlichen Emissionsspektren und mindestens einen dichroitischen Strahlteiler zur Überlagerung bzw. Zusammenführung des Lichts von zumindest zwei der Lichtquellen entlang einer optischen Achse des Beleuchtungssystems, wobei auf dem Lichtweg von den Lichtquellen zu dem zu beleuchtenden Feld des Beleuchtungssystems zwischen den Lichtquellen und dem mindestens einen Strahlteiler und/oder zwischen dem mindestens einen Strahlteiler und dem zu beleuchtenden Feld mindestens ein erstes Homogenisierungsmittel zur Lichtmischung vorgesehen ist und wobei das mindestens eine Homogenisierungsmittel zur Lichtmischung ausgewählt oder zusammengesetzt ist aus den optischen Elementen der Gruppe: Stabintegratoren, Hohlraumintegratoren, Faserbündel, Linsen- und/oder Spiegel-Arrays, und wobei auf oder an dem mindestens einen dichroitischen Stahlteiler mindestens eine erste Sammellinse mittels additiver Bearbeitungsverfahren, abtragender Bearbeitungsverfahren und/oder durch das Aufbringen eines getrennt gefertigten optischen Elementes in Form einer Asphäre, einer Fresnel-Linse und/oder eines diffraktiven optischen Elements (DOE) ausgebildet ist. Durch letzteres lässt sich das Beleuchtungssystem besonders kompakt ausführen, insbesondere wenn die Sammellinse mittels Grauton-Lithographie, Spritzgießen, Abgießen, Angießen, Stempeln, Aufkitten, Kleben, Laminieren, Drucken, Anspritzen und/oder Ansprengen unmittelbar auf der Ein- oder Austrittsfläche des dichroitischen Strahlteilers angebracht wird.This object is achieved by an illumination system for generating a reflected-light bright field for metrology applications comprising a plurality of light sources with mutually different emission spectra and at least one dichroic beam splitter for superimposing or merging the light from at least two of the light sources along an optical axis of the illumination system, wherein on the light path at least one first homogenizing agent for light mixing is provided from the light sources to the field to be illuminated of the illumination system between the light sources and the at least one beam splitter and / or between the at least one beam splitter and the field to be illuminated, and wherein the at least one homogenizing agent is selected or composed for the light mixture is from the optical elements of the group: rod integrators, cavity integrators, fiber bundles, lens and / or mirror arrays, and wherein on or on the at least one you at least a first converging lens is formed by means of additive machining methods, ablative machining methods and / or by the application of a separately manufactured optical element in the form of an aspheric, a Fresnel lens and / or a diffractive optical element (DOE). By the latter, the illumination system can be made particularly compact, especially when the convergent lens by means of gray-tone lithography, injection molding, casting, casting, stamping, Aufkitten, gluing, laminating, printing, injection molding and / or wringing directly on the entrance or exit surface of the dichroic beam splitter is attached.
Durch das mindestens eine Homogenisierungsmittel wird eine Lichtmischung im Feld und in der Pupille des Beleuchtungssystems derart durchgeführt, dass das vorhandene Licht gleichmäßig über das Feld und zumindest gleichförmig parzelliert über die Pupille, insbesondere je nach Auslegung des Homogenisierungsmittels und der Lichtquellen auch gleichmäßig über die Pupille verteilt wird. Dabei wird diese Lichtmischung auch für jede Farbe bzw. jedes Emissionsspektrum durch das mindestens eine erste Homogenisierungsmittel ermöglicht. Hierzu kann jede der Lichtquelle ein nachgeschaltetes erstes separates Homogenisierungsmittel auf dem Lichtweg von der Lichtquelle zu dem mindestens einen Strahlteiler aufweisen. Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch auch möglich, auf dem Lichtweg von dem mindestens einen Strahlteiler zu dem zu beleuchtenden Feld ein für alle Farben bzw. Emissionsspektren gemeinsam wirksames erstes Homogenisierungsmittel vorzusehen. Letzteres führt jedoch nicht dazu, dass in Feld und Pupille die gleiche Menge Licht aus den jeweiligen Farben bzw. Emissionsspektren vorhanden ist. Hierzu ist es notwendig, die Lichtleistung der verschiedenen Lichtquellen und die verschiedenen Lichtverluste auf dem Weg zu dem zu beleuchtenden Feld aneinander anzupassen. Das gemeinsam für alle Farben wirksame erste Homogenisierungsmittel führt allerdings nur zu einer Lichtmischung in Feld und Pupille für jede der einzelnen Farben an sich, an dem unterschiedlichen Anteil der Farben im Gesamtlicht des Beleuchtungssystems kann das Homogenisierungsmittel nichts ändern.By means of the at least one homogenizing agent, a light mixture in the field and in the pupil of the illumination system is performed such that the light present uniformly distributed over the field and at least uniformly parcels over the pupil, in particular evenly across the pupil, depending on the design of the homogenizing agent and the light sources becomes. In this case, this light mixture is also made possible for each color or each emission spectrum by the at least one first homogenizing agent. For this purpose, each of the light sources may have a downstream first separate homogenizing agent on the light path from the light source to the at least one beam splitter. Alternatively or additionally, however, it is also possible to provide, on the light path from the at least one beam splitter to the field to be illuminated, a first homogenizing agent which is effective jointly for all colors or emission spectra. However, the latter does not mean that the same amount of light from the respective colors or emission spectra is present in the field and pupil. For this purpose, it is necessary to match the light output of the different light sources and the different light losses on the way to the field to be illuminated. However, the first homogenizing agent, which works together for all colors, only leads to a mixture of light in the field and pupil for each of the individual colors per se; the homogenizing agent can not change the different proportion of colors in the total light of the illumination system.
Die genannten Homogenisierungsmittel sind im Bereich der Halbleiter-Lithographie für die Homogenisierung monochromatischer Strahlung, insbesondere von kohärenter Laserlichtstrahlung bekannt. Somit wird für die Beschreibung der Wirkungsweise dieser Homogenisierungsmittel dementsprechend auf die bekannte Literatur verwiesen, siehe hierzu zum Beispiel für Stabintegratoren bzw. Hohlraumintegratoren
Der Einsatz dieser aus der Halbleiter-Lithographie bekannten Homogenisierungsmittel war bisher für den Low-Cost Bereich nicht denkbar, da die zumeist aus speziellem Quarz oder in besonderen Belastungssituationen aus Kalziumfluorid gefertigten Elemente aufgrund des genannten Materials und aufgrund der hohen Anforderungen an die Formgenauigkeit sehr aufwendig gefertigt werden mussten, was sich letztendlich in den hohen Kosten dieser Elemente wiederspiegelt, die ein Vielfaches der Kosten eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems betragen.The use of these known from semiconductor lithography homogenizing was previously unimaginable for the low-cost range, as the mostly made of special quartz or in special stress situations made of calcium fluoride due to the material and due to the high demands on the accuracy of the mold made very expensive had to be, which is ultimately reflected in the high cost of these elements, which are many times the cost of a lighting system according to the invention.
Inzwischen gibt es jedoch hochgenauen Fertigungsmethoden zum Spritzgießen von Präzisionsoptiken aus Kunststoff, deren Formgenauigkeiten für ein erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem ausreichend sind. Ferner gibt es inzwischen Fertigungsmethoden zum hochgenauen Foliendruck von Linsen- oder Spiegelarrays in Endlosbahnen aus Kunststoff. Diesen neuen Fertigungsmethoden ist gemein, dass die zu bearbeitenden optischen Elemente nicht durch abtragende Methoden wie Fräsen, Drehen, Bohren und Polieren mit hohem Aufwand in dem gewünschten Endformzustand gebracht werden müssen. Bei den neuen Fertigungsmethoden wird das optische Element bei dessen Erzeugung bereits nahezu in den Endformzustand übergeführt. Hierdurch lassen sich nun entsprechend kostengünstige optische Elemente herstellen, wodurch der Einsatz dieser Elemente im Low-Cost Bereich ermöglicht wird. Anbieter solcher kostengünstiger Fertigungsmethoden für Kleinserienteile sind zum Beispiel: Innolite GmbH, c/o Fraunhofer IPT, Steinbachstraße 17, 52074 Aachen; promod Prototypenzentrum GmbH, Robert-Bosch-Str. 24, 72160 Horb-Bildechingen oder Proto Labs Ltd., Alte-Neckarelzer-Straße 24, 74821 Mosbach. Meanwhile, however, there are highly accurate manufacturing methods for injection molding precision optics made of plastic, whose dimensional accuracy for a lighting system according to the invention are sufficient. Furthermore, there are now manufacturing methods for high-precision foil printing of lens or mirror arrays in continuous plastic webs. Common to these new production methods is that the optical elements to be machined do not have to be brought into the desired final shape state with great effort by means of removing methods such as milling, turning, drilling and polishing. In the new production methods, the optical element is already transferred almost to its final state during its production. As a result, correspondingly inexpensive optical elements can now be produced, which enables the use of these elements in the low-cost range. For example, Innolite GmbH, c / o Fraunhofer IPT, Steinbachstrasse 17, 52074 Aachen, Germany, is the supplier of such low-cost production methods for small series parts. promod Prototyp Center GmbH, Robert-Bosch-Str. 24, 72160 Horb-Bildechingen or Proto Labs Ltd., Alte-Neckarelzer-Straße 24, 74821 Mosbach.
Erfindungsgemäß wurde daher erkannt, dass durch die neuen Fertigungsmethoden eine Übertragung der aus der Halleiter-Lithographie bekannten Homogenisierungsmittel auf den Low-Cost Bereich von Metrologie-Beleuchtungssystemen möglich ist und somit ein Beleuchtungssystem zur Erzeugung eines Auflicht-Hellfeldes für Messtechnikanwendungen realisierbar ist, dessen Licht gleichmäßig über das Feld und zumindest gleichförmig parzelliert über die Pupille verteilt ist. Eine solche gleichmäßige bzw. gleichförmige parzellierte Lichtverteilung ist notwendig, um den Messfehlerbeitrag des Beleuchtungssystems bei der Auswertung von Koordinaten eines zu vermessenden Werkstücks zu reduzieren.According to the invention, it has therefore been recognized that a transfer of the homogenization means known from semiconductor lithography to the low-cost range of metrology illumination systems is possible by the new production methods and thus an illumination system for generating an incident light brightfield for measurement technology applications can be realized whose light is uniform is distributed over the field and at least uniformly parceled over the pupil. Such a uniform parceled light distribution is necessary to reduce the measurement error contribution of the illumination system when evaluating coordinates of a workpiece to be measured.
Dabei wird unter „gleichmäßig” im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Lichtverteilung verstanden, die abgesehen von wenigen Prozent und abgesehen vom Randbereich des Feldes einen konstanten Wert über das Feld des Beleuchtungssystems annimmt. Hingegen wird unter „gleichförmig parzelliert” im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Lichtverteilung verstanden, die zwar eine regelmäßige Struktur bzw. regelmäßige Intensitätsschwankungen über die Pupille des Beleuchtungssystems aufweisen kann, diese regelmäßige Struktur sich aber gleichförmig über die gesamt Pupille abgesehen vom Randbereich der Pupille erstreckt. Mit anderen Worten ist eine gleichförmig parzellierte Lichtverteilung eine parzellierte Lichtverteilung, deren Parzellen gleichförmig über die Pupille verteilt sind, wobei die mittleren Intensitätswerte der Parzellen einer Verlaufskurve über die Pupille folgen. Dabei kann die gleichförmig parzellierte Lichtverteilung in der Pupille auch in eine nahezu gleichmäßige bzw. quasi-gleichmäßige, je nach Auslegung des Homogenisierungsmittels und je nach Pupillenfüllung durch die Lichtquelle, übergehen.In the context of the present invention, "uniform" is understood to mean a light distribution which, apart from a few percent and apart from the edge region of the field, assumes a constant value over the field of the illumination system. By contrast, in the context of the present invention "uniformly parceled" is understood to mean a light distribution which may have a regular structure or regular intensity fluctuations across the pupil of the illumination system, but this regular structure extends uniformly over the entire pupil apart from the edge region of the pupil. In other words, a uniformly parceled light distribution is a parceled light distribution, the parcels of which are distributed uniformly over the pupil, with the mean intensity values of the parcels following a course of trajectory across the pupil. In this case, the uniformly parceled light distribution in the pupil can also be converted into a virtually uniform or quasi-uniform, depending on the design of the homogenizing agent and depending on the pupil filling by the light source.
Am einfachsten kann dies anhand des Kaleidoskop-Effektes eines Stab- bzw. Hohlraumintegrators verdeutlicht werden. Beim Blick in einen Stab- bzw. Hohlraumintegrator wird aufgrund der Vielfachreflexionen innerhalb des Stabes (Kaleidoskop-Effekt) die Pupille in einzelne Parzellen gleicher Größe aufgeteilt. Je länger der Stab- bzw. Hohlraumintegrator nun gewählt wird, desto größer wird die Anzahl identischer Parzellen in die die Pupille aufgeteilt wird. Dabei fällt eine anfänglich ungleichmäßige Lichtverteilung in einer Parzelle immer wenige ins Gewicht, je länger der Stab gewählt wird und je mehr Parzellen die Pupille dadurch aufweist. Bei einem theoretisch unendlich langen Stab und bei einer entsprechenden Pupillen- bzw. Parzellenfüllung durch die Lichtquelle wird dann letztendlich eine vollständig gleichmäßige Lichtverteilung über die Pupille erreicht.This can be illustrated most simply on the basis of the kaleidoscope effect of a rod or cavity integrator. When looking into a rod or cavity integrator, the pupil is divided into individual plots of the same size due to the multiple reflections within the rod (kaleidoscope effect). The longer the rod or cavity integrator is chosen, the greater the number of identical parcels into which the pupil is divided. In this case, an initially uneven distribution of light in a parcel always weighs less, the longer the rod is selected and the more parcels the pupil has thereby. With a theoretically infinitely long rod and with a corresponding pupil or parcel filling by the light source, a completely uniform light distribution over the pupil is finally achieved.
Die vorgeschlagenen Homogenisierungsmittel können folglich nicht den Lichtleitwert des Beleuchtungssystems an sich erhöhen. Dies würde auch dem Liouville'schen Theorem von der Konstanz des Phasenraums wiedersprechen. Allerdings wird durch die Homogenisierungsmittel das Licht in der Pupille dahingehend umverteilt, dass es aufgrund der Parzellierung gleichförmig über die gesamte Pupille verteilt wird und dass es am Rand jeder Parzelle nicht vorhanden ist. Durch dies Umverteilung von Licht wird der Phasenraum einerseits „durchlöchert” und andererseits „durchmischt”, wodurch ein homogener Phasenraum resultiert, der einen auch messbar höheren Lichtleitwert aufweist. Vergleichbar ist diese Situation mit der eines Kuchenteigs vor und nach dem Backen. Der Rauminhalt an sich, den der Kuchenteig vor und nach dem Backen einnimmt, bleibt gleich, aber durch die Erzeugung von Gasen während des Backvorgangs steigt das Gesamtvolumen des Kuchens während des Backens deutlich an.Consequently, the proposed homogenizing agents can not increase the optical conductivity of the illumination system per se. This would also contradict Liouville's theorem of the constancy of phase space. However, the homogenizing means redistributes the light in the pupil to be uniformly distributed throughout the pupil due to the parceling and is absent at the edge of each parcel. As a result of this redistribution of light, the phase space is "perforated" on the one hand and "mixed through" on the other hand, resulting in a homogeneous phase space which also has a measurable higher light conductance. This situation is comparable to that of a cake dough before and after baking. The volume per se, which the cake dough takes before and after baking, remains the same, but the generation of gases during baking significantly increases the total volume of the cake during baking.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist auf dem Lichtweg von den Lichtquellen zu dem zu beleuchtenden Feld des Beleuchtungssystems zwischen den Lichtquellen und dem mindestens einen Strahlteiler und/oder zwischen dem mindestens einen Strahlteiler und dem zu beleuchtenden Feld mindestens eine erste Sammellinse angeordnet. Durch eine oder mehrere erste Sammellinsen zwischen den Lichtquellen und dem mindestens einen Strahlteiler kann sichergestellt werden, dass das Licht aus den verschiedenen Lichtquellen beim Eintritt in das nachfolgende Homogenisierungsmittel mit nahezu ähnlicher Winkelverteilung eintritt, so dass auch die daraus resultierenden Pupillen für die verschiedenen Farben bzw. Emissionsspektren sich annähernd überdecken bzw. gleich groß sind. Durch die mindestens eine erste Sammellinse zwischen dem mindestens einen Strahlteiler und dem zu beleuchtenden Feld kann somit eine telezentrische Farb-Beleuchtung des Feldes sichergestellt werden.In one embodiment of the illumination system according to the invention, at least one first converging lens is arranged on the light path from the light sources to the field to be illuminated of the illumination system between the light sources and the at least one beam splitter and / or between the at least one beam splitter and the field to be illuminated. By one or more first converging lenses between the light sources and the at least one beam splitter, it can be ensured that the light from the various light sources enters with almost similar angular distribution upon entry into the subsequent homogenizing means, so that the resulting pupils for the different colors or Emission spectra are approximately overlap or equal. By the at least one first convergent lens between the at least one beam splitter and the field to be illuminated thus a telecentric color illumination of the field can be ensured.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Lichtquellen LED Lichtquellen zur Erzeugung einer RGB-Beleuchtung des zu beleuchtenden Feldes und werden durch einen sogenannten X-Cube als dichroitischem Strahlteiler für die RGB-Beleuchtung des Feldes zusammengeführt. Der sogenannte X-Cube hat bei der Zusammenführung von RGB-Beleuchtungslicht gegenüber der Zusammenführung mittels zweier kreuzweise angeordneten dichroitischen Strahlteilern den Vorteil, dass er keine Schattenlinie bzw. Schattenbalken im Feld ausbildet.In a further embodiment, the light sources LED light sources for generating an RGB illumination of the field to be illuminated and are brought together by a so-called X-Cube as a dichroic beam splitter for the RGB illumination of the field. The so-called X-Cube has the advantage in the combination of RGB illumination light compared to the merger by means of two crosswise arranged dichroic beam splitters, that he does not form a shadow line or shadow bars in the field.
In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere erste Sammellinsen auf oder an dem mindestens einen dichroitischen Strahlteiler auf dessen Lichteintrittsseite bezogen auf den Lichtweg von den Lichtquellen zu dem zu beleuchtenden Feld des Beleuchtungssystems ausgebildet, wobei die Formen dieser ersten Sammellinse so ausgelegt sind, dass die Dispersionswirkung des Strahlteilers auf das durch ihn hindurchtretende Licht reduziert wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass durch die unterschiedliche Brechkraft der einzelnen Sammellinsen die unterschiedliche Brechkraft des dichroitischen Strahlteilers für die unterschiedlichen Farben bzw. Emissionsspektren derart kompensiert wird, dass die Lichtverteilungen der unterschiedlichen Farben bezogen auf die Winkelverteilung mit Bezug zur optischen Achse auf der Lichtaustrittseite des Strahlteilers sich einander annähernd gleichen.In a further embodiment, a plurality of first converging lenses are formed on or at the at least one dichroic beam splitter on its light entrance side relative to the light path from the light sources to the field of the illumination system to be illuminated, the shapes of this first condenser lens being designed such that the dispersing effect of the beam splitter is reduced to the light passing through it. This ensures that the different power of the dichroic beam splitter for the different colors or emission spectra is compensated by the different refractive power of the individual converging lenses, that the light distributions of the different colors with respect to the angular distribution with respect to the optical axis on the light exit side of the beam splitter itself approximately equal to each other.
In einer Ausführungsform ist die mindestens eine erste Sammellinse auf dem Lichtweg von den Lichtquellen zu dem zu beleuchtenden Feld des Beleuchtungssystems nach dem mindestens einen ersten Homogenisierungsmittel angeordnet. Durch die mindestens eine erste Sammellinse zwischen dem mindestens einen Strahlteiler und dem zu beleuchtenden Feld kann eine telezentrische Beleuchtung des Feldes sichergestellt werden, wobei durch das Homogenisierungsmittel gleichzeitig eine gleichmäßige Intensitätsverteilung im Feld und eine gleichförmige Intensitätsverteilung in der Pupille sichergestellt werden kann.In one embodiment, the at least one first converging lens is arranged on the light path from the light sources to the field to be illuminated of the illumination system after the at least one first homogenization means. By means of the at least one first converging lens between the at least one beam splitter and the field to be illuminated, a telecentric illumination of the field can be ensured, whereby a uniform intensity distribution in the field and a uniform intensity distribution in the pupil can be ensured at the same time by the homogenizing agent.
In einer weiteren Ausführungsform ist auf dem Lichtweg von den Lichtquellen zu dem zu beleuchtenden Feld des Beleuchtungssystems nach der mindestens einen ersten Sammellinse mindestens ein weiteres zweites Homogenisierungsmittel zur Lichtmischung angeordnet, wobei das zweite Homogenisierungsmittel zur Lichtmischung ausgewählt oder zusammengesetzt ist aus den optischen Elementen der Gruppe: Stabintegratoren, Hohlraumintegratoren, Faserbündel, Linsen- und/oder Spiegel-Arrays. Durch die Nutzung von zwei Homogenisierungsmitteln kann die notwendige Anforderung zur Lichtmischung auf zwei unterschiedliche Homogenisierungsmittel verteilt werden. Hierdurch können zum Beispiel bei Stab- bzw. Hohlraumintegratoren ansonsten unerwünschte Längen des Einzelintegrators vermieden werden.In a further embodiment, at least one further second homogenizing agent for the light mixture is arranged on the light path from the light sources to the field to be illuminated of the illumination system after the at least one first converging lens, wherein the second homogenizing agent for light mixing is selected or composed of the optical elements of the group: Bar integrators, cavity integrators, fiber bundles, lens and / or mirror arrays. By using two homogenizing agents, the necessary light mixing requirement can be distributed among two different homogenizing agents. As a result, otherwise undesirable lengths of the single integrator can be avoided, for example, in rod or cavity integrators.
In einer Ausführungsform ist zwischen den Lichtquellen und dem mindestens einen Strahlteiler jeweils ein erstes Homogenisierungsmittel zur Lichtmischung des Lichts der Lichtquelle vorgesehen. Hierdurch ist es möglich, für jede der Farben bzw. der Emissionsspektren getrennt eine Vormischung des Lichts durchzuführen, bevor die unterschiedlichen Farben in dem mindestens einen dichroitischen Strahlteiler zusammengeführt werden. Dies führt insgesamt zu einer kompakteren Bauform, da einerseits zwei hintereinander geschaltete Stufen an Homogenisierungsmitteln genutzt werden, wodurch sich die Homogenisierungsleistung auf zwei Homogenisierungsmittel aufteilt, die durchaus unterschiedlicher Bauart sein können und da andererseits die erste Stufe der Homogenisierungsmittel unmittelbar nach den Lichtquellen und damit vor dem mindestens einen dichroitischen Strahlteiler vorgesehen ist, wodurch sich zumindest bei Stab- bzw. Hohlraumintegratoren als zweitem Homogenisierungsmittel nach dem mindestens einen dichroitischen Strahlteiler deren Länge verkürzt.In one embodiment, in each case a first homogenizing means for mixing the light of the light source is provided between the light sources and the at least one beam splitter. This makes it possible to pre-mix the light separately for each of the colors or the emission spectra before the different colors are combined in the at least one dichroic beam splitter. This leads overall to a more compact design, since on the one hand two successive stages are used in homogenizing, whereby the homogenization is divided into two homogenizing, which may well be of different design and on the other hand, the first stage of the homogenizing immediately after the light sources and thus before at least one dichroic beam splitter is provided, as a result of which, at least in the case of rod or cavity integrators, the length of the second homogenizing agent after the at least one dichroic beam splitter is shortened.
In einer weiteren Ausführungsform sind zwischen den Lichtquelle und den ersten Homogenisierungsmitteln jeweils Fresnel-Linsen als erste Sammellinsen angeordnet. Hierdurch lässt sich die Divergenz des Lichts der Lichtquellen anpassen, wodurch die Lichtstrahlen unter möglichst optimalen Winkel für eine Lichtmischung in das nachfolgende Homogenisierungsmittel eintreten. Hierbei können die Fresnel-Linsen auch auf den Homogenisierungsmitteln ausgebildet sein, wodurch eine kompaktere Bauform ermöglicht wird.In a further embodiment, Fresnel lenses are respectively arranged as first collecting lenses between the light source and the first homogenizing means. As a result, the divergence of the light of the light sources can be adjusted, whereby the light rays enter the subsequent homogenizing agent at as optimal an angle as possible for a light mixture. In this case, the Fresnel lenses can also be formed on the homogenization means, whereby a more compact design is made possible.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems sind die Lichtquellen LED Lichtquellen zur Erzeugung einer RGB-Beleuchtung des zu beleuchtenden Feldes und mindestens eine erste Sammellinse ist auf oder an dem mindestens einen dichroitischen Stahlteiler ausgebildet, wobei auf dem Lichtweg von den Lichtquellen zu dem zu beleuchtenden Feld des Beleuchtungssystems nach der mindestens einen ersten Sammellinse mindestens ein weiteres zweites Homogenisierungsmittel zur Lichtmischung angeordnet ist, wobei das mindestens eine weitere zweite Homogenisierungsmittel zur Lichtmischung ausgewählt oder zusammengesetzt ist aus den optischen Elementen der Gruppe: Stabintegratoren, Hohlraumintegratoren, Faserbündel, Linsen- und/oder Spiegel-Arrays. Ein zweites Homogenisierungsmittel erlaubt es, die Mischung des Lichtes optimal zwischen den beiden Stufen an Homogenisierungsmitteln aufzuteilen. Durch die Aufteilung der Lichthomogenisierung auf zwei Stufen, ist es möglich, die Homogenisierung des Feldes nahezu entkoppelt von der Homogenisierung der Pupille durch die entsprechende Positionierung der beiden Homogenisierungsmittel im Strahlengang vorzunehmen.In one embodiment of the illumination system according to the invention, the light sources LED light sources for generating an RGB illumination of the field to be illuminated and at least a first converging lens is formed on or at the at least one dichroic steel divider, wherein on the light path from the light sources to the field to be illuminated At least one further second homogenizing agent for light mixing is arranged, wherein the at least one further second homogenizing agent for light mixing is selected or composed of the optical elements of the group: bar integrators, cavity integrators, fiber bundles, lens and / or mirror arrays. A second homogenizer allows the mixture of the light optimally divided between the two stages of homogenizing agents. By dividing the light homogenization in two stages, it is possible to make the homogenization of the field almost decoupled from the homogenization of the pupil by the corresponding positioning of the two homogenizing agents in the beam path.
In einer weiteren Ausführungsform ist auf dem Lichtweg von den Lichtquellen zu dem zu beleuchtenden Feld des Beleuchtungssystems nach dem mindestens einen ersten Homogenisierungsmittel mindestens ein weiteres zweites Homogenisierungsmittel zur Lichtmischung vorgesehen, wobei das zweite Homogenisierungsmittel zur Lichtmischung ausgewählt oder zusammengesetzt ist aus den optischen Elementen der Gruppe: Stabintegratoren, Hohlraumintegratoren, Faserbündel, Linsen- und/oder Spiegel-Arrays. Neben dem Vorteil, die Homogenisierung im Feld und in der Pupille hierdurch zu entkoppeln, hat die zweistufige Lichthomogenisierung auch einen Vorteil hinsichtlich der chromatischen Bildfehler des Beleuchtungssystems. Durch die erste Stufe der Homogenisierungsmittel wird eine Grundhomogenisierung der einzelnen Farben bzw. Emissionsspektren erreicht bevor die einzelnen Farben mit einem jeweils ähnlichen Homogenisierungsgrad durch den dichroitischen Strahlteiler zusammengeführt werden. Die durch den dichroitischen Strahlteiler entstehenden chromatischen Restfehler lassen sich dann erfolgreich durch die zweite Stufe der Homogenisierungsmittel ausmitteln. Insgesamt resultiert hierdurch ein Beleuchtungssystem, welches in seinen einzelnen Baugruppen nicht auf den Einsatz von Achromaten oder Apochromaten angewiesen ist, wodurch sich wiederum die Kosten senken lassen.In a further embodiment, at least one further second homogenizing agent for light mixing is provided on the light path from the light sources to the field to be illuminated of the illumination system after the at least one first homogenizing agent, wherein the second homogenizing agent for light mixing is selected or composed of the optical elements of the group: Bar integrators, cavity integrators, fiber bundles, lens and / or mirror arrays. In addition to the advantage of decoupling the homogenization in the field and in the pupil, the two-stage light homogenization also has an advantage with regard to the chromatic aberrations of the illumination system. The first stage of the homogenizing agent achieves a basic homogenization of the individual colors or emission spectra before the individual colors are combined with a respectively similar degree of homogeneity by the dichroic beam splitter. The residual chromatic aberrations produced by the dichroic beamsplitter can then be successfully extracted by the second stage of the homogenizers. Overall, this results in a lighting system, which is not dependent on the use of achromats or apochromats in its individual modules, which in turn can reduce costs.
In einer Ausführungsform weist wenigstens eines der Homogenisierungsmittel in Form der Stabintegratoren oder der Hohlraumintegratoren entlang seiner Längsausdehnung einen verjüngenden Querschnitt auf, dessen Aspektverhältnis sich auch entlang der Längsausdehnung ändern kann und/oder das wenigstens eine Homogenisierungsmittel in Form der Stabintegratoren oder der Hohlraumintegratoren weist an mehreren Flächenabschnitten seiner Oberfläche unterschiedliche lokale Krümmungen der Oberfläche auf. Hierdurch ist es möglich, die Lichtmischung innerhalb des Beleuchtungsfeldes gezielt zu steuern und zu optimieren. Insbesondere lässt sich der Lichtleitwert zwischen der X-Richtung und der Y-Richtung des Feldes umverteilen.In one embodiment, at least one of the homogenizing means in the form of rod integrators or cavity integrators has a tapering cross section along its longitudinal extent, the aspect ratio of which may also change along the longitudinal extent, and / or the at least one homogenizing agent in the form of rod integrators or cavity integrators has at several surface portions its surface has different local curvatures of the surface. This makes it possible to specifically control and optimize the light mixture within the illumination field. In particular, the light conductance can be redistributed between the X direction and the Y direction of the field.
In einer weiteren Ausführungsform ist das zweite Homogenisierungsmittel aus zwei Spiegel-Arrays zusammengesetzt, die für eine Umverteilung der Lichtleitwerte in den beiden orthogonalen Richtungen des Feldes sorgen. Hierdurch ist eine Anpassung der Lichtquellengröße bzw. der Abstrahlwinkelverteilung an die Feldgröße bzw. das Aspektverhältnis des gewünschten Beleuchtungsfeldes möglich.In a further embodiment, the second homogenization means is composed of two mirror arrays which provide for a redistribution of the light conductance values in the two orthogonal directions of the field. This makes it possible to adapt the light source size or the emission angle distribution to the field size or the aspect ratio of the desired illumination field.
In einer Ausführungsform ist das zweite Homogenisierungsmittel aus Linsenarrays zusammengesetzt und bildet einen sogenannten Wabenkondensor, wobei der Wabenkondensor mittels mindestens einem flächenförmigen Abstandshalter in Sandwich-Bauweise ausgeführt ist. Eine solche Sandwich-Bauweise ermöglicht eine separate Fertigung und Qualitätsprüfung des Wabenkondensors, wodurch mit dem fertigen Wabenkondensor ein montage- und justage-freundliches optisches Element entsteht, welches ohne großen Aufwand in einem Fertigungsprozess in das Beleuchtungssystem integriert werden kann. Insbesondere ein Wabenkondensor, dessen Linsenarrays hierbei aus Endlosfolien gedruckter, gepresster und/oder gespritzter Kunststoffe bestehen, ist darüber hinaus auch noch sehr kostengünstig herzustellen.In one embodiment, the second homogenizing agent is composed of lens arrays and forms a so-called honeycomb condenser, wherein the honeycomb condenser is embodied by means of at least one sandwich-type spacer. Such a sandwich construction allows for separate production and quality testing of the honeycomb condenser, whereby an assembly-and adjustment-friendly optical element is produced with the finished honeycomb condenser, which optical element can be integrated into the lighting system in a manufacturing process without much effort. In particular, a honeycomb condenser, the lens arrays of which consist of continuous films printed, pressed and / or molded plastics, is also still very inexpensive to produce.
In einer weiteren Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem mindestens einen Diffusor auf, wobei der Diffusor ausgewählt oder zusammengesetzt ist aus diffraktiven und/oder refraktiven und/oder holographischen und/oder streuenden Elementen mit regelmäßigen und/oder unregelmäßigen Strukturen. Hierdurch lassen sich nach der Homogenisierung des Lichts vorhandene Variationen im Feld und in der Pupille nachträglich glätten.In a further embodiment, the illumination system according to the invention has at least one diffuser, wherein the diffuser is selected or composed of diffractive and / or refractive and / or holographic and / or scattering elements with regular and / or irregular structures. As a result, existing variations in the field and in the pupil can be subsequently smoothed after the homogenization of the light.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird neben einem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem auch durch ein Koordinatenmessgerät zur Erfassung der Koordinaten eines Werkstücks gelöst, welches wenigstens einen optischen Sensor und ein erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem zur Beleuchtung des Werkstücks während einer Messung der Koordinaten des Werkstücks mit dem optischen Sensor umfasst.The object of the present invention is in addition to an illumination system according to the invention also solved by a coordinate measuring machine for detecting the coordinates of a workpiece, which comprises at least one optical sensor and an inventive illumination system for illuminating the workpiece during a measurement of the coordinates of the workpiece with the optical sensor.
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. In diesen zeigtEmbodiments of the invention will be explained in more detail with reference to FIGS. In these shows
Das Koordinatenmessgerät
Um nunmehr komplexe Werkstücke mit einer komplexen Geometrie vermessen zu können, werden üblicherweise unterschiedliche Taststifte benötigt, die in einem nicht dargestellten Magazin vorgehalten werden und automatisiert über eine Wechseleinrichtung am Tastkopf
Die Steuerung des Messablaufes und der Antriebsmittel des Koordinatenmessgerätes, sowie die Aufnahme und Auswertung der hierbei ermittelten Messwerte erfolgt durch eine Steuer und Auswerteeinheit
Alternativ zu einem Tastkopf
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung auch an anderen Typen von Koordinatenmessgeräten als dem in
Die
Doch selbst bei einer bestmöglichen Kollimierung bzw. Ausrichtung des RGB-Lichtes entlang einer Achse wird dieses Licht nicht homogen über die Austrittsfläche des sogenannten X-Cubes verteilt sein. Eine Homogenisierung des RGB-Lichtes im Orts- und Winkelraum kann allerdings durch Einsatz eines sogenannten Wabenkondensors (WaKo)
Zur Verstärkung der Lichtmischungseigenschaft des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems
Die
Auch bei dem in
Die Linsen bzw. MLAs
Das Aufbringen auf die Ein- und Austrittsfläche kann durch Aufkitten, Kleben, Laminieren, Drucken, Angießen, Anspritzen oder Ansprengen erfolgen. Gegebenenfalls kann aber auch eine direkte Bearbeitung der Ein- und Austrittsfläche in Betracht gezogen werden. Somit können im Allgemeinen folgende Verfahren zur Herstellung dieser Elemente angewendet werden: Additive Bearbeitungsverfahren, abtragende Bearbeitungsverfahren und/oder das Aufbringen eines getrennt gefertigten optischen Elementes.The application to the entry and exit surface can be done by applying, gluing, laminating, printing, casting, spraying or wringing. Optionally, however, a direct processing of the inlet and outlet surface can be considered. Thus, in general, the following methods can be used to produce these elements: additive machining processes, abrasive machining processes and / or the application of a separately fabricated optical element.
Die
Die
Die Oberflächenmodulation quer zur Ausrichtung des Homogenisierungsmittels und der über die Länge variable Querschnitt des Homogenisierungsmittels sind grundsätzlich auch bei Hohlraumintegratoren realisierbar.The surface modulation transversely to the orientation of the homogenizing agent and the variable over the length of the cross-section of the homogenizing agent are basically feasible even with cavity integrators.
Die
Die
Diese Funktion ähnelt der oben beschriebenen Variation des Aspektverhältnisses zwischen Ein- und Ausgang am Stabintegrator. Sie unterscheidet sich aber dahingehend, dass mit dem Mikrolinsenarray alleine keine Umverteilung von Lichtleitwert zwischen den Achsen des Systems möglich ist. Deswegen sind Feldbreitenverhältnis und Ausleuchtungsverhältnis „reziprok”. Somit wird die Einschränkung des Feldes in Y-Richtung durch eine Vergrößerung der Intensitätsverteilung in der Pupille in Y-Richtung erkauft, siehe I(y) und I(NAy) im Vergleich zu I(x) und I(NAx) in
Die Hinzunahme von Mikrolinsenarrays kann auch bei den Ausführungen der Stabintegratoren gemäß
Die Stabintegratoren
Analog zu der in
Wie bereits im Zusammenhang mit
Jedoch ist eine solche verlustfreie Lichtleitwertänderung in einer Richtung zu Lasten der anderen Richtung mit einer Spiegelanordnung SA bestehend aus zwei Spiegelarrays
In der
Häufig werden zweckmäßigerweise scheinbare Lichtleitwerterhöhungen mit Mikrolinsenanordnungen erreicht. Diese scheinbaren Lichtleitwerterhöhungen werden bei genauer Betrachtung jedoch nur durch einen Trick erreicht. Der Wabenkondensor wird so ausgelegt, dass sich im Phasenraum eine löchrige Verteilung ergibt. D. h., es werden nicht mehr alle Orte im Feld belichtet, oder es kommen nicht mehr alle Einfallswinkel vor, oder beides. Der damit häufig verbundene negative Einfluss auf die Beleuchtungs- und damit Abbildungsqualität wird dann dadurch umgangen, dass die löchrige Verteilung wieder verwaschen wird. Dies geschieht durch sogenannte Diffusoren. Ein Ausführungsbeispiel
Typischerweise ist die Lage der Mikrolinsenarrays MLA1, MLA2 im Wabenkondensor
Grundsätzlich wäre ein Wabenkondensor
Die Abstandhalter
Die
Die
Die
Die Kurven I(x) in
Die
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