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Anwendungsgebiet:
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Die Erfindung betrifft ein Gerät und Verfahren zur Bestimmung mikroskopisch kleiner Geometrien von Messobjekten der Druckindustrie, wie Rasterzylinder oder Druckformen.
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Diese Messobjekte weisen sehr häufig folgende Besonderheiten auf:
- 1. Die zu prüfenden Objekte sind sehr groß und häufig zylinderförmig, also Walzen (auch Zylinder genannt). Als Beispiele seien Rasterzylinder (auch Anilox-Zylinder genannt), Tiefdruck-Zylinder, Prägezylinder, Sleeves für Flexodruck oder aber auch Flexodruckplatten genannt.
- 2. Die zu prüfenden Strukturen sind sehr klein, haben die Größe eines Druckpixels oder sind noch kleiner.
- 3. Die einzelnen Strukturen werden Näpfchen genannt und sind häufig in Form eines gleichmäßigen Rasters angeordnet.
- 4. Bei Rasterzylindern sind die Näpfchen eines Zylinders im wesentlichen gleich groß.
- 5. Die Strukturierung der Druckformen ist häufig dadurch gekennzeichnet, dass sie in eine ebene Oberfläche eingebracht wurde und häufig ein Tiefenplateau hat.
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Diese Messobjekte sind i.a. sehr groß, so dass das Messgerät häufig zum Prüfling bewegt werden muss. Eingesetzt werden die Messgeräte in der Druckindustrie, die wegen des hohen Kostendrucks häufig wenig Bereitschaft für die Investition in teures Messequipment zeigt. Weil die Messgeräte in der Qualitätssicherung der Produktion eingesetzt werden, wird erwartet, dass die Geräte bei immer wiederkehrenden gleichartigen Messungen leicht und fehlerfrei auch von gering qualifiziertem Personal zu bedienen sind.
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Stand der Technik:
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Messgeräte für diesen Anwendungsbereich sind seit vielen Jahren bekannt. Angefangen mit rein opto-mechanischen Lösungen werden seit über 20 Jahren digitale Systeme eingesetzt. Hierbei werden die Kamerasignale digital in einer Auswerteeinheit ausgewertet und auf einem Display dargestellt. Die Auswerteeinheit basiert häufig auf einen Personalcomputer oder den neueren Derivaten wie Notebooks oder Tablet-PCs. Teilweise wird auch eine herstellerspezifische Auswerteeinheit verwendet.
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Die einfacheren Geräte für die Untersuchung von Druckformen sind 2D-Mikroskope. Als Hersteller sind z.B. Check Systems Enschede [4], Helio Service Ahaus [5] oder Sibress [6] genannt. Diese Mikroskope sind mit einem oder mehreren Mikroskop-Objektiven ausgestattet, haben eine Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung des Messortes, eine digitale Videokamera, die an einer Auswerte- und Darstellungseinheit (z.B. ein Personalcomputer) angeschlossen ist. Diese verarbeitet die Bilddaten, stellt sie dar und bietet weitere Funktionen, z.B. die Erstellung von Messprotokollen.
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Diese Geräte bieten im besten Fall eine motorische Fokusverstellung, eine manuelle laterale Verstellung, automatische Messungen in der Ebene und die Möglichkeit, manuelle Tiefenmessungen durchzuführen.
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Die Fokusverstellung (auch z-Verstellung genannt) verändert den Abstand des Objektives vom Messobjekt und dient dazu, den Abstand so einzustellen, dass das Objektiv ein scharfes Bild auf den Kamera-Sensor projiziert. Die laterale Verstellung (auch xy-Verstellung genannt) ist in dieser Geräteklasse, wenn vorhanden, immer manuell. Sie dient dazu, das Mikroskop in der Ebene feinzupositionieren, damit bei Bedarf z.B. bestimmte einzelne Näpfchen untersucht werden können. Bei der manuellen Tiefenmessung werden die Punkte, deren Höhendifferenz gemessen werden soll, per z-Verstellung anfokussiert. Die Differenz dieser beiden Positionen wird z.B. durch eine Messuhr oder andere Längenmessgeber gemessen. Statt einer Messuhr sind auch Geräte bekannt, die mittels Drehgeber an einer manuell oder motorisch angetriebenen Stellachse für die z-Verstellung indirekt die z-Differenz erfassen. Analog können auch die Schritte eines Schrittmotors gezählt werden. Dabei wird möglichst mit einem Objektiv hoher Apertur gearbeitet, weil die hohe Apertur zu einer geringen Tiefenschärfe des Bildes führt und so eine sehr genaue Höhenbestimmung und damit Messung möglich ist.
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Vereinzelt sind in dieser Klasse auch kabellose Geräte verfügbar. Es gibt Geräte, die mit einem kleinen Display von max. 10 Zoll ausgestattet sind und die komplette Auswerteeinheit mobil im Gerät beinhalten. Andere Geräte übertragen die Bilddaten direkt z.B. über WLAN zu einer Auswerteeinheit.
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Im mittleren Leistungs- und Preisbereich gibt es Geräte mit einfacher Ausstattung aber der Möglichkeit, den Messort dreidimensional zu erfassen und vermessen. Als Hersteller sind z.B. MicroDynamics [7] oder Troika Systems [8] genannt. Bei diesen Geräten ist die z-Verstellung immer motorisch, die laterale Verstellung, wenn vorhanden, immer manuell. Für die 3D-Messung wird das Verfahren der Fokusvariation oder die Weisslichtinterferometrie verwendet.
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Die Fokusvariation, auch „Depth from focus“ genannt, wurde z.B. in [3] genau beschrieben. Dabei wird die Schärfe-Information eines Bildstapels (engl. „stack“) von Bildern unterschiedlicher Fokuspositionen ausgewertet und daraus ein 3D-Bild modelliert. Bei der Weisslichtinterferometrie [1] wird statt der Schärfe-Information das Interferenzsignal der einzelnen Pixel ausgewertet. Um Interferenzsignale zu erzeugen, ist ein höherer Hardwareaufwand bei Objektiv, Positionierung und Beleuchtung erforderlich.
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Im höheren Leistungs- und Preisbereich gibt es 3D-Mikroskope mit höherwertiger Ausstattung. Das beinhaltet z.B. eine motorische xy-Verstellung und damit verbunden die Möglichkeit, größere Flächen dreidimensional zu vermessen und darzustellen. Als Hersteller sind z.B. Nanofocus [9], Alicona [10] oder Keyence [11] genannt. Neben den oben genannten 3D-Verfahren kommt hier auch die konfokale (Laserscanning-) Mikroskopie [2] zum Einsatz. Die Messgenauigkeit in der z-Richtung ist bei diesen Geräten eigentlich schon viel zu genau für den Einsatz im oben beschriebenen Feld der Druckindustrie. Dagegen ist die laterale Auflösung bei allen drei Geräteklassen in der gleichen Größenordnung. Diese Geräte sind i.a. als Standgeräte für den Laboreinsatz konzipiert worden und sind für den Einsatz in der Druckindustrie modifiziert worden.
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Nachteile des Standes der Technik:
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Der Stand der Technik ist dadurch gekennzeichnet, dass zwar die Geräte so messen wie sie sollen, aber die Bedürfnisse der Benutzer in der Druckindustrie nicht ausreichend beachten.
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Benötigt wird ein möglichst mobiles Gerät, d.h. es soll leicht und kompakt sein und möglichst wenige externe Kabel benötigen, am besten kabellos sein. Aktuelle Geräte erfüllen derzeit nur in der einfachsten Ausführung diese Bedingung. Ansonsten gilt: Je umfangreicher die Ausstattung, desto weniger mobil ist das Gerät.
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Die kabellosen Geräte mit kleinem Display haben den Nachteil, dass Bedienelemente aufgrund der eingeschränkten Displayfläche häufig schlechter zu erreichen sind. Texteingaben sind nur eingeschränkt möglich. Kabellose Geräte ohne Display haben wiederum den Nachteil der nicht optimalen Mobilität, weil ja zur Nutzung immer noch eine Auswerte- und Darstellungseinheit benötigt wird.
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Benötigt wird außerdem ein Gerät, dass möglichst einfach und fehlerfrei zu bedienen ist. D.h. die Anzahl an Bedienelementen sollte nicht zu groß und die Bedienelemente am richtigen Platz sein. Außerdem sollte der Automatisierungsgrad der Funktionen möglichst hoch sein. Aktuelle Geräte haben eine relativ geringe Automatisierung und sind durch viele und schlecht platzierte Bedienelemente schwer zu bedienen. Beispielsweise ist die Rasterbestimmung bei vielen Geräten maximal halbautomatisch, d.h. der Bediener muß Näpfchen auswählen, aus deren Abständen zueinander dann das Raster und der Rasterwinkel bestimmt werden.
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Eine sehr häufig auftretende Messaufgabe ist die Messung der Tiefe von gleichartigen Näpfchen, die in einem engen Raster stehen. Der Stand der Technik bietet zwei Lösungen: Erstens die manuelle Tiefenmessung und zweitens die 3D Messung.
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Bei der manuellen Tiefenmessung werden i.a. Objektive mit hoher Apertur benötigt, damit ein Mensch visuell den Kontrastpunkt ausreichend genau bestimmen kann. Objektive mit hoher Apertur haben i.a. eine große Vergrößerung und dadurch einen kleinen Sichtbereich. Dadurch ist es bei flach abfallenden Kanten manchmal nicht möglich, sowohl Oberfläche als auch Näpfchengrund gleichzeitig in diesen Sichtbereich zu bekommen. Auch wird nur für diese Aufgabe häufig ein separates Objektiv vorgehalten (z.B. 40x NA0,6).
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Soll die Tiefe durch eine 3D-Messung gemessen werden, so muß der Benutzer in wesentlich teureres Messequipment investiert haben, dass zudem weniger mobil und komplizierter zu bedienen ist.
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Bei den bisher verfügbaren Walzenmikroskope mit motorischer z-Verstellung kann die motorische Verstellung nur über Tastendruck am Gerät, Kipphebelschalter am Gerät oder Knopfdruck an einem angeschlossenen PC verstellt werden. Auf Tastendruck fährt der Motor eine Rampe hoch, um einerseits feine Positionierungen zu ermöglichen, andererseits aber auch schnell größere Bereiche zu verfahren. Das ist wenig effizient, d.h. eine genaue Positionierung dauert dadurch recht lange.
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Aufgabe der Erfindung:
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Aufgabe dieser Erfindung soll sein, durch einige neue Elemente und Verfahren den Grad an Mobilität, Automatisierung und Bedienbarkeit von Walzenmikroskopen zu erhöhen.
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Lösung der Aufgabe:
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Um bei kabellosen Betrieb den hohen Mobilitätsgrad eines kleinen im Mikroskop eingebauten Displays mit der Leistungsfähigkeit einer PC basierten Auswerte- und Anzeigeeinheit zu kombinieren, soll ein Mikroskop mit eingebauten Display und Auswerteeinheit mit einer PC basierten Auswerte- und Anzeigeeinheit drahtlos wie in 1 gezeigt zusammenarbeiten. Die Messung wird im wesentlichen in der Mikroskopeinheit (1), die für sich autark arbeiten kann, aufgenommen. Die so erzeugten Messdaten werden dann drahtlos an einen PC (2) übertragen und dort mit einer spezifischen Software weiterverarbeitet. Als Messdaten sind insbesondere die aufgenommenen Bilder oder die durch die Auswerteeinheit der Mikroskopeinheit (1) generierten Bilder gemeint. Zusätzlich können auch weitere Daten wie z.B. Messwerte oder auftragsbezogene Daten übertragen werden. Diese Messdaten werden drahtlos z.B. über WLAN an einen PC (2) übertragen (direkt oder über Netzwerk) und dort ein eine Software geladen. Hier kann die aufgenommene Messung dann z.B. überprüft und ggf. korrigiert werden, oder weitere Messwerte erzeugt werden, weitere Daten (insbesondere Textdaten) eingegeben werden und oder Messprotokolle für Dokumentationszwecke erzeugt werden.
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Um die Konnektivität zu erhöhen, soll das Mikroskopsystem entweder vom Mobilteil (1) oder der zweiten Einheit (2) zudem in der Lage sein, Messergebnisse direkt aus der Bediensoftware heraus als Email oder in soziale Medien wie Facebook oder Whatsapp zu senden, bzw. in die entsprechenden Applikationen zu übertragen.
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Um die Tiefe von Näpfchen zu messen, soll folgendes Verfahren angewandt werden: Zunächst soll ein Stapel von Bildern mit unterschiedlichen Fokuspositionen aufgenommen werden. Dann werden aus dem Stapel die Tiefeninformationen extrahiert, z.B. dadurch, dass die Kontrastinformationen aus den Bildern ausgewertet wird. Danach kann ggf. über eine Bildauswertung die Bereiche „Oberfläche“ und „Näpfchengrund“ voneinander getrennt werden. Dann kann z.B. durch eine Auswertung des Histogramms (bzw. der Histogramme) der Tiefeninformationen die Tiefenmesswerte generiert werden. Diese Messwerte können dann im Bild der Näpfchen als Kontrastpunkte farbig markiert werden. 2 zeigt exemplarisch eine Fläche von Näpfchen, die in einem festen Raster zueinander stehen. Die Näpfchen (11) sind schraffiert dargestellt. Zwischen den Näpchen befindet sich die Zylinderoberfläche mit den Stegen (12). 3 zeigt nun exemplarisch die markierten Höhenpunkte (13) der Höhe, auf dem sich die Stege (12) befinden. 4 zeigt die markierten Höhenpunkte (14) der Höhe, auf dem sich der Näpfchengrund befindet. Die Differenz der Höhen der beiden Ebenen ist der gesuchte Messwert, die Näpfchentiefe.
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Über Bedienelemente an PC (2) oder Mikroskop (1) kann nun bei Bedarf die ermittelten Höhenpunkte korrigiert werden.
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Es soll ein Bedienelement zur Auswahl des „Messszenarios“ ergänzt werden. Das ermöglicht den Einsatz von Bildverarbeitungsalgorithmen, die für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert sind. Auch können je nach Messszenario unterschiedliche Messtools bereitgestellt werden. So können z.B. für das Szenario „Tiefdruck Stichelgravur“ Tools zur Ermittlung des Schneidwinkels des Gravurstichels oder zur Integration des Näpfchenvolumens aus den 2D-Daten bereitgestellt werden. Im Gegenzug dazu könnten für das Szenario „Flexodruckplatte“ ein Tool für die Messung des Druckdichtewerts bereitgestellt werden.
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Zur manuellen Fokusverstellung soll ein Drehgeber verwendet werden, der über eine Motorsteuerung einen Motor ansteuert. Das ermöglicht die gleiche komfortable, schnelle und sehr präzise Einstellung des Fokuspunktes wie bei den rein manuellen Walzenmikroskopen. Es gibt Drehgeber, die etwa die Abmessungen eines Potentiometers haben. Diese funktionieren z.B. als optischer Encoder und erzeugen bei Drehung der Achse zwei Rechtecksignale, die zwar die gleiche Pulsrate haben, z.B. 256 Pulse pro Umdrehung der Achse, aber gegeneinander um eine bestimmte Phasenlage, z.B. 90 Grad, versetzt sind. Durch Auswertung dieser Signal ist es möglich, Drehwinkel und Drehrichtung zu bestimmen.
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Es werden Bedienelemente am Mikroskop (1), z.B. Tasten, vorgesehen, die z.B. zum Starten einer Bildstapelaufnahme, zur Auswertung und zur Speicherung der Messung verwendet werden können. Bei einer drahtlosen Verbindung zu einer Auswerteeinheit wie PC oder Notebook (2), kann die Software der Auswerteeinheit über diese Tasten fernbedient werden. In der Software des Auswerteeinheit können auch Sequenzen von Messungen angelegt werden, die dann vom Mikroskop aus über die Tasten gesteuert werden.
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Für die Variante eines USB gebundenen Mikroskops soll ein Pufferakku vorgesehen werden, der über den USB-Bus geladen werden kann.
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Vorteile der Erfindung:
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Durch die Kombination eines mobilen kabellosen und autark arbeitenden Mikroskops (1) mit einer drahtlosen Übertragung von Bild- und Messdaten zu einer zweiten, größeren Station (2), werden die Vorteile von hoher Mobilität mit hoher Performance gekoppelt.
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Hohe Mobilität bedeutet, dass der Nutzer ein kleines leichtes Gerät (1) hat, dass er einfach und schnell zu seinen Messobjekten transportieren kann. Hier kann er eine Messung aufnehmen und alle Tätigkeiten durchführen, die er im Rahmen der Messung machen möchte, wie z.B. das Begutachten der Messung, die Korrektur der Messung, das Einfügen weiterer Einzelmessungen, das Erstellen von Messprotokollen, der Versand der Messdaten usw..
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Hohe Performance, d.h. ein hohes Arbeitstempo erreicht der Nutzer, wenn er nun zusätzlich eine größere Anzeige- und Auswerteeinheit (2) nutzt. Das kann z.B. ein Notebook oder PC sein. Hierhin werden drahtlos alle Messdaten der mobilen Einheit (1) zur Weiterverarbeitung übertragen. Die spezielle Anwendungssoftware übernimmt die Bild- und Messdaten und zeigt sie an. Nun können an dieser Station (2) die Tätigkeiten wie das Begutachten der Messung, die Korrektur der Messung, das Einfügen weiterer Einzelmessungen, das Erstellen von Messprotokollen, der Versand der Messdaten usw. durchgeführt werden. Diese Arbeitsweise bietet sich an, wenn sehr viele Messungen durchgeführt werden sollen.
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Unterstützt wird diese Arbeitsweise noch, wenn zusätzlich über die mobile Mikroskopeinheit (1) die zweite Station (2) ferngesteuert wird. Das kann über Tasten oder Touchscreen am Mobilgerät erfolgen. Das bietet sich insbesondere bei Serienmessungen an, wo teilweise hunderte von Messungen aufgenommen, gespeichert, begutachtet, korrigiert und protokolliert werden müssen. Mit dieser Konfiguration wäre die Aufnahme möglich, ohne das mobile Mikroskop aus der Hand zu geben.
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Durch den Drehgeber, der vom Nutzer über einen Drehknopf an der Mikroskopeinheit (1) betätigt wird, kann einfach, schnell und sehr präzise manuell der Fokus eingestellt werden, viel besser, als mit den bisher bekannten Bedienelementen.
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Durch ein Bedienelement zur Auswahl des „Messszenarios“ können für den jeweiligen Anwendungsfall optimierte Algorithmen zur Bildverarbeitung verwendet werden und die Bedienoberfläche für den Anwendungsfall angepasst werden.
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Wird z.B. das Messszenario „Tiefdruck-Stichelgravur ausgewählt, so kann seitens der Bildverarbeitung berücksichtigt werden, dass die Näpfchen kein Plateau am Näpfchengrund haben sondern eine Spitze. So wird für die Tiefenbestimmung nicht die mittlere Tiefe dieses Plateaus gesucht, sondern die tiefste Stelle des Näpfchens. Diese Tiefe kann wiederum herangezogen werden, um in Verbindung mit der gemessenen Querdiagonale des Näpfchens den Stichelwinkel des Gravurwerkzeugs zu bestimmen. Mit Hilfe des Stichelwinkels kann wiederum das theoretische Schöpfvolumen der Gravur über Integration über die Näpfchenfläche ermittelt werden.
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Für einen lasergravierten Zylinder wird mit der entsprechenden Auswahl des Messszenarios genau nach dem Tiefenplateau gesucht. Da solche Plateaus im Gegensatz zu einem Punkt der Maximaltiefe aus eine Vielzahl an Bildpixeln bestehen, wird durch eine Mittelwertbildung über diese Vielzahl an Pixeln ein Messwert mit höherer Messsicherheit generiert.
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Bei keramischen Rasterzylindern (Anilox-Zylinder) wiederum ist selbst der Oberflächenbereich nicht homogen. Wo im Tiefdruckbereich die Stege zwischen den Näpfchen immer bis an die Oberfläche reichen, geschieht das im Aniloxbereich nicht. Hier gibt es viele Stege, die die Näpfchen nur bis einige Mikrometer unter den höchsten Bereichen begrenzen. Da im Druckprozess das Schöpfvolumen der Rasterwalze aber durch diese höchsten Bereiche definiert wird, weil die Rakel des Druckwerks sich genau auf diese Bereiche sich abstützt, werden auch genau diese Bereiche für die Tiefenbestimmung benötigt. D.h. die tieferliegenden Stege müssen ausgeblendet werden. 5 zeigt einen Querschnitt von Zylinder und Rakel. Die Rakel (21) streift die Farbe (22) vom Zylinder ab. Dabei läuft sie auf den oberen Punkten der Zylinderoberfläche (24). Übrig bleibt die Farbe in den Näpfchen (23). Bereiche der Näpfchenstege reichen nicht bis zur oberen Ebene (25).
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Der Einsatz dieser optimierten Algorithmen zeigt, dass häufig nur so präzise Messwerte generiert werden können. Zwar könnte man für den o.g. Fall auch eine 3D Messung machen, dann könnte man aber nur über punktuelle Messungen solche Messwerte generieren. Das erfordert aber wieder manuelle Eingriffe, die auch zu Fehlern führen können. Somit führt der Einsatz optimierter Algorithmen auch zu einen höheren Automatisierungsgrad bei der Erzeugung von Messwerten. Diese Messwerte, die häufig ein gesamtes aufgenommenes Mikroskopbild oder -bildstapel auf eine einzige Zahl reduzieren, werden dann häufig zur Prozesssteuerung eingesetzt.
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Durch Anpassung der Bedienoberfläche für das jeweilige Messszenario, können z.B. dem Nutzer nur die Bedienelemente angeboten werden, die für diesen jeweiligen Anwendungsfall benötigt werden. Das verringert die Bedienkomplexität des Geräts und vermindert den Schulungsaufwand. Das ist wichtig, weil wie oben bereits erwähnt, werden diese Geräte i.a. in der Produktion eingesetzt und müssen auch von gering qualifiziertem Personal fehlerfrei bedient werden können. Desweiteren wird durch die Anpassung der Bedienoberfläche auch Bildschirmoberfläche eingespart, was gerade beim Einsatz kleiner Bildschirme wichtig ist. Hier wird die Bediengeschwindigkeit erhöht, weil Bedien- und Anzeigeelemente direkt verfügbar sind und nicht z.B. durch Pop-Up-Menues oder andere Menues geöffnet werden müssen.
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Die Erhöhung der Konnektivität durch Bedienelemente der Software, die es erlauben, schnell Messdaten und -bilder über Email oder soziale Medien zu versenden, spart Arbeitszeit, z.B. für den Fall, dass einem Kunden oder Lieferanten schnell über ein Problem informiert werden soll. Der bisher bekannte Weg, ein Messprotokoll als pdf-File zu erzeugen, zu speichern, dann in der Email-Anwendung zu öffnen und zu versenden, ist erheblich aufwendiger.
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Das vorgestellte Verfahren zur Tiefenmessung bietet eine automatische Ermittlung des Messwertes. So können auch gering qualifizierte Nutzer einfach, fehlerfrei und frei von subjektiven Einflüssen den Tiefenwert bestimmen. Trotzdem ist über Bedienelemente eine manuelle Korrektur möglich, wenn z.B. ein ganz bestimmtes Detail des Bildfeldes gemessen werden soll.
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Die Genauigkeit der Messung ist höher als bei einer rein manuellen Tiefenmessung. Durch die Auswertung der Kontrastdaten per Computer können die Punkte des maximalen Kontrasts für jedes einzelne Pixel genauer erfasst werden als das per visuellem Eindruck möglich ist. Zudem sind Fehler, die aus dem Antrieb der Fokusverstellung resultieren können reduziert, weil z.B. keine Umkehrlose durch Richtungswechsel bei der Fokussierung entstehen kann. Der Antrieb wird bei jeder Messung exakt gleich bewegt.
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Im Vergleich zur manuellen Tiefenmessung kann nun ein Objektiv geringerer Vergrößerung und kleinerer Apertur eingesetzt werden. Der Sichtbereich vergrößert sich entsprechend und somit können Höhenpunkte miteinander verglichen werden, die weiter auseinander liegen als vorher. Objektive mit kleinerer Vergrößerung sind zudem i.a. preiswerter.
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Die Genauigkeit der Messung ist höher als bei einer 3D-Messung mit punktuellem Vergleich der Tiefenmesswerte, weil nun die Messwerte einer Vielzahl von Messpunkten gemittelt werden.
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Der für den Fall einer drahtgebundenen Variante des Walzenmikroskops eingesetzte Pufferakku kann die Spitzenstromaufnahme des Mikroskops verringert werden. Damit ist es dann möglich, ein 3D Mikroskop alleine über USB zu betreiben, ohne mit Netzgeräten oder fremdgeladenen Akkus rumhantieren zu müssen. Dadurch erhöht sich der Mobilitätsgrad. Auch kann damit mehr Strom für die Beleuchtung aufgewendet werden. Durch eine größere Helligkeit kann die Belichtungszeit der Kamera reduziert werden. D.h. im Umkehrschluß, dass schneller Bilder aufgenommen werden können. Das kann dazu genutzt werden, die Messgeschwindigkeit bei der Stackaufnahme zu erhöhen.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen:
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6 zeigt die bevorzugte Ausführungsweise soll das Walzen-Mikroskop zur 2D- oder 3D-Messung drahtlos (Antenne (44)) sein und ein kleines Display (40) und eine Auswerteeinheit (39) besitzen. Display und Auswerteeinheit könnten z.B. duch einen kleinen Tablet-PC repräsentiert werden.
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Durch eine manuelle xy-Verstellung (31) kann das auf dem Fuss (32) stehende Mikroskop präzise lateral bewegt werden, so dass spezielle Details des zu untersuchenden Werkstücks angefahren werden können. Durch einen Objektivrevolver (33) kann die Vergrößerung, der Sichtbereich und Auflösung des Mikroskops umgestellt werden. So kann der Objektivrevolver (33) mit dem Objektiv (34) 5x, numerische Apertur NA 0,1, dem Objektiv 10x, NA 0,25 und dem Objektiv 20x, NA 0,4 ausgestattet sein. Bilder werden von einer Kamera (41) aufgenommen und der Auswerteeinheit (39) zugeführt.
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Die z-Verstellung (35) ist motorisch, d.h. die Fokusebene kann durch einen Motor (36) verstellt werden. Dieser Motor (36) kann z.B. ein Schrittmotor, oder aber auch ein Piezo- oder Servo-Motor sein. Der Motor wird von einer Motorsteuerung (37) angesteuert, die wiederum kann von einer übergeordneten Steuereinheit (38) wie einem Embedded-Prozessor angesteuert wird. Zusätzlich wird entweder die Motorsteuerung (37) oder die übergeordnete Steuereinheit (38) von einem Drehgeber (43) angesteuert. Dieser Drehgeber (43) ist am Mikroskop montiert und erlaubt dem Bediener, über einen Drehknopf (42) diesen Drehgeber (43) zu betätigen. Der Drehgeber (43) erzeugt darauf Impulse, die den Drehwinkel und Drehrichtung repräsentieren. Diese Impulse werden dann möglichst unmittelbar von der Steuerung in eine Motorbewegung umgesetzt. Für einen Schrittmotor könnte das z.B. ein (Mikro-) Schritt pro Impuls sein. Dadurch ist eine sehr feinfühlige Verstellung möglich, als wenn man die Antriebsachse der z-Verstellung per Hand bedient. Wird der Drehgeber langsam gedreht, dreht sich der Schrittmotor langsam, wird der Geber schnell gedreht, dreht sich der Motor schnell.
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Am Mikroskop befinden sich Tasten oder ein Touchscreen, die zum Ansteuern der Steuerung und der Auswerteeinheit dienen. Über diese Bedienmöglichkeiten kann z.B. eine Messung gestartet oder gespeichert werden. Die Bedienoberfläche des Mobilteiles (also der Mikroskopeinheit) bietet alle funktionalen Möglichkeiten, die Mikroskope nach dem Stand der Technik besitzen, wobei die Bedienelemente für die Aufnahme der Messung besonders leicht zu erreichen sind. Das ermöglicht einerseits das schnelle Aufnehmen neuer Messungen, andererseits kann ohne weitere Geräte der vollständige Funktionsumfang abgebildet werden. Diese Arbeitsweise wird z.B. bei einer gelegentlichen Kontrolle angewandt.
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Für den Fall, dass sehr viele Messungen gemacht werden müssen, ist diese Arbeitsweise unvorteilhaft. Daher soll vorgesehen sein, dass die aufgenommene Messung direkt kabellos an eine zweite größere Auswerte- und Anzeigeeinheit übertragen wird. Die Übertragung kann z.B. direkt vom Mikroskop zur zweiten Einheit erfolgen (z.B. per WLAN oder Bluetooth) oder die bestehende Netzwerk-Infrastruktur nutzen (z.B. bestehendes Firmen-WLAN). Diese zweite Einheit könnte z.B. ein handelsüblicher PC sein. Hier kann die Messung komfortabel weiterverarbeitet werden. Die PC-Tastatur erleichtert die Eingaben, die z.B. zur Erstellung eines Messprotokolls erforderlich sind, wie z.B. Name des Bedieners, Auftragsnummer, Name des Kunden etc.. Am PC-Display ist eine bestmögliche Darstellung der Messung möglich, so dass evtl. Messfehler schnell erkannt werden können und auch schnell manuell korrigiert werden können. Auch können mehrere Messungen gesammelt werden und gemeinsam weiterverarbeitet werden.
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Auf den Bedienoberflächen befindet sich eine Auswahlbox „Messszenario“. Hier sind verschiedene Messszenarien hinterlegt, z.B. „Anilox-Zylinder“, „Flexo-Druckplatte“, „Tiefdruckzylinder Stichelgraviert“ oder „Tiefdruckzylinder lasergraviert“. Abhängig von dieser Einstellung kann die Auswerteeinheit unterschiedliche, für den Anwendungsfall optimierte, Bildverarbeitungsalgorithmen anwenden und darüber hinaus dem Bediener andere anwendungsspezifische Messtools (Messmöglichkeiten) anbieten. Für den Fall „Tiefdruckzylinder Stichelgraviert“ könnten z.B. eine Möglichkeit angeboten werden, den Stichelwinkel zu messen oder noch besser wird der Stichelwinkel automatisch bei der übergeordneten Messung schon mitgemessen. Auch könnten aus den 2D-Daten und dem Stichelwinkel das Schöpfvolumen der Walze berechnet werden. Für den Fall „Anilox-Zylinder“ könnte beispielsweise die automatische Tiefenmessung dadurch verbessert werden, dass vorher durch eine genaue 2D-Analyse Stege und Näpfchengrund identifiziert werden. Für den Fall „Flexo-Druckplatte“ könnte z.B. die Punktdichte in % automatisch ermittelt werden. Diese Messmöglichkeit würde wiederum für die Tiefdruckanwendung gar nicht angeboten. Durch dieses Verfahren werden dem Bediener immer nur die Möglichkeiten angeboten, die für den Anwendungsfall relevant sind. Das reduziert die Komplexität.
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Auf den Bedienoberflächen sind Knöpfe vorgesehen, die es ermöglichen, Messungen möglichst unmittelbar per email oder soziale Medien zu versenden.
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Eine 2D-Messung kann folgendermaßen erfolgen: Der Bediener stellt den Fokus per Drehgeber-Knopf auf die richtige Schärfeebene, so dass die Zylinderoberfläche scharf erscheint. Dann drückt der Bediener den Knopf zur automatischen Messung. Nun wird das aktuelle Kamerabild mittels Bildverarbeitungsalgorithmen, die vom ausgewählten Messszenario abhängen können, ausgewertet und vollautomatisch Messwerte wie das Raster und den Rasterwinkel (Anordnung aller Objekte zueinander), die Längs- und die Querdiagonale (Längenmesswerte) der einzelnen Objekte, die Stegbreite, die Flächendeckung der Objekte usw. ermittelt. Diese Daten werden dann drahtlos an die zweite Station (2) übertragen. Hier kann der Bediener nun die Messung begutachten und ggf. manuell korrigieren. Desweiteren kann er ein Messprotokoll erstellen und dieses dann per Knopfdruck per email versenden oder an eine Kommunikationsapplikation übertragen.
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Eine Tiefenmessung kann folgendermaßen erfolgen: Der Bediener stellt manuell den Fokus ungefähr auf die obere Fokusebene, die üblicherweise der Zylinderoberfläche des Messobjekts entspricht. Dann wird durch Knopfdruck die Tiefenmessung gestartet. Dazu wird automatisch ein Stapel von Bildern unterschiedlicher Fokusebenen aufgenommen und deren Kontrastinformationen ausgewertet. Nun kann entsprechend der Auswahl „Messszenario“ eine Differenzierung zwischen Oberfläche und Näpfchengrund erfolgen. Durch Analyse der Daten können nun die beiden Höhenpunkte für Oberfläche und Näpfchengrund visuell in Form von farbig markierten Punkten mit dem höchsten Kontrast dargestellt werden und die Höhendifferenz als Messwert angezeigt werden. Diese Messung kann manuell korrigiert werden, indem durch Steuerelemente (z.B. sog. Scrollbars) der Bedienoberfläche die Höhenmesspunkte verschoben werden. Dabei werden dann automatisch die entsprechenden Höhenpunkte dieser Höhe im Display angezeigt.
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Eine 3D-Messung kann folgendermaßen erfolgen: Der Bediener stellt manuell den Fokus ungefähr auf die obere Fokusebene, die üblicherweise der Zylinderoberfläche des Messobjekts entspricht. Dann wird durch Knopfdruck die 3D-Messung gestartet. Dazu wird automatisch ein Stapel von Bildern unterschiedlicher Fokusebenen aufgenommen und deren Kontrastinformationen ausgewertet, wie z.B in [3] beschrieben. Das Ergebnis wird nun noch automatisch an der Oberfläche ausgerichtet und ggf. wird die Oberflächenkrümmung durch die Zylinderform entfernt. Das so ermittelte 3D-Modell kann nun in Form einer farbigen Höhenkarte oder eines 3D-gerenderten Bildes dargestellt werden. Außerdem wird das theoretische Schöpfvolumen der Struktur ermittelt, indem das Volumen zwischen der Strukturoberfläche und der oberen Punkten der Zylinderoberfläche durch Integration berechnet wird. Auch wird automatisch das Raster und der Rasterwinkel bestimmt. Diese Daten können nun an die zweite Station (2) übertragen werden. Dort kann die Messung begutachtet werden und weitere Messungen wie z.B. Profilschnitte oder Messung der Stegbreite über ein Längenmesstool abgeleitet werden. Dann kann z.B. ein Messprotokoll erstellt werden und die Messung gespeichert werden.
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Um die Akkus der Mikroskopeinheit zu laden, kann das Gerät in eine Docking-Station gestellt werden. Das Hereinstellen des Geräts könnte einen Impuls auslösen, um Daten von der Mikroskopeinheit zur stationären Einheit zu übertragen.
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In einer anderen vereinfachten Ausführung könnte gegenüber der bevorzugten Ausführung auf eine Auswertung der Bilddaten der Kamera (41) im Mobilteil verzichtet werden. Das drahtlose Gerät muss dann nicht mehr notwendiger Weise mit einem Display ausgestattet sein. Die Messdaten werden dann direkt an eine stationäre Verarbeitungseinheit übertragen und dort ausgewertet. Über die Tasten bzw. einem Touchscreen am Mobilteil kann die stationäre Einheit ferngesteuert werden. Über diese Bedienmöglichkeiten kann z.B. eine Messung gestartet oder gespeichert werden.
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In einer weiteren vereinfachten Ausführung könnte gegenüber der vorherigen Ausführung auch auf die drahtlose Übertragung verzichtet werden. Hier könnte die Mikroskopeinheit z.B. über USB mit einem PC verbunden sein. Um für diesen Fall möglichst mobil zu bleiben, kann in der Mikroskopeinheit ein Pufferakku vorgesehen sein, der über USB geladen wird und dazu dient, Stromspitzen, die durch den Motorbetrieb oder die Beleuchtung entstehen, abzupuffern. Dadurch kann auf eine zusätzliche Stromversorgung mit zusätzlichem Verkabelungsaufwand verzichtet werden. Da der Pufferakku permanent über USB nachgeladen wird, kann auch nach dem Gebrauch des Geräts auf ein Nachladen verzichtet werden, was die Bedienung vereinfacht.
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Zitierte Nichtpatentliteratur:
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- [1] https://de.wikipedia.org/wiki/Wei%C3%9Flichtinterferometrie
- [2] https://de.wikipedia.org/wiki/Konfokalmikroskop
- [3] S. Nayar and Y. Nakagawa. Shape from focus. IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell., 16(8):824-831, August 1994.
- [4] Check Systems Enschede BV http://csenschede.com/
- [5] Helio Service Ahaus GmbH http://www.hsa-ahaus.de
- [6] SIBRESS http://www.sibress.com
- [7] MicroDynamics Inc. http://www.microdynamics.net/
- [8] Troika Systems Limited http://www.troika-systems.com/
- [9] NanoFocus AG http://www.nanofocus.de/
- [10] Alicona Imaging GmbH http://www.alicona.com
- [11] Keyence http://www.keyence.com
