DE102017113613B4

DE102017113613B4 - Optisches System und optisches Gerät mit einem solchen optischen System

Info

Publication number: DE102017113613B4
Application number: DE102017113613.4A
Authority: DE
Inventors: Nils Haverkamp; Markus Degünther; Frank Schlesener
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2022-01-27
Anticipated expiration: 2037-06-21
Also published as: DE102017113613A1

Abstract

Optisches System, mit einem optischen Abbildungssystem (42), das dazu ausgelegt ist, ein Objektfeld (46) in einer Objektebene (48) entlang eines Abbildungsstrahlengangs auf ein Bildfeld (50) in einer Bildebene (52) abzubilden, und mit einem Beleuchtungssystem (54), das eine Lichtquelle aufweist, die in einer Leuchtfeldebene (56) angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, Beleuchtungslicht zu erzeugen, das von einem Leuchtfeld (60) entlang eines Beleuchtungsstrahlengangs in die Objektebene (48) zur Ausleuchtung des Objektfeldes (46) geführt wird, wobei das Leuchtfeld (60) dem Bildfeld (50) überlagert ist, und dass die Lichtquelle eine Mehrzahl an Leuchtelementen (L1, ..., Lm) aufweist, die das Leuchtfeld (60) bilden, und das Abbildungssystem (42) eine Mehrzahl an Bildgebungselementen (D1, ..., Dn) aufweist, die das Bildfeld (50) bilden, wobei die Leuchtelemente (L1, ..., Lm) und die Bildgebungselemente (D1, ..., Dn) örtlich alternierend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem (54) eine erste optische Anordnung (70) aufweist, die dazu ausgelegt ist, das Beleuchtungslicht ausgehend von dem Leuchtfeld (60) in eine Pupillenebene (62) des optischen Abbildungssystems (42) zu fokussieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System, mit einem optischen Abbildungssystem, dass dazu ausgelegt ist, ein Objektfeld in einer Objektebene entlang eines Abbildungsstrahlenganges auf ein Bildfeld in einer Bildebene abzubilden, und mit einem Beleuchtungssystem, dass eine Lichtquelle aufweist, die in einer Leuchtfeldebene angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, Beleuchtungslicht zu erzeugen, dass von einem Leuchtfeld entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges in die Objektebene zur Ausleuchtung des Objektfeldes geführt wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges optisches System ist aus DE 102 54 685 A1 bekannt.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein optisches Gerät mit einem derartigen optischen System.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann die vorliegende Erfindung besonders bei optischen Geräten in der Messtechnik, insbesondere bei einem Koordinatenmessgerät, vorteilhaft eingesetzt werden.
Koordinatenmessgeräte dienen dazu, beispielsweise im Rahmen einer Qualitätssicherung Werkstücke zu prüfen oder die Geometrie eines Werkstücks zu ermitteln. Darüber hinaus sind vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar. Unter den Koordinatenmessgeräten sind solche bekannt, die einen optischen Messkopf aufweisen, die ein berührungsloses Erfassen der Koordinaten eines Werkstücks ermöglichen. Ein Beispiel für einen derartigen optischen Sensor ist der unter der Produktbezeichung „ViScan“ von der Anmelderin vertriebene optische Messkopf.
Allgemein gilt, dass für optisch abbildende Systeme eine Beleuchtung benötigt wird, die die notwenige Lichtmenge bereitstellt, damit überhaupt abgebildet werden kann. Grundsätzlich kann mit Umgebungslicht oder eingespiegeltem Sonnenlicht gearbeitet werden. Für anspruchsvollere Abbildungen, wie beispielsweise in der Messtechnik, sind undefinierte und/oder schlecht reproduzierbare Beleuchtungen ungeeignet. Deshalb werden allgemein Lichtquellen für künstliches Licht verwendet, da sie den natürlichen Lichtquellen überlegen sind.
Eine besonders häufig zum Einsatz kommende Beleuchtungsart (sogenanntes Beleuchtungs-Setting) ist die so genannte Hellfeld-Auflicht-Beleuchtung. Bei ihr sind Beleuchtungsstrahlengang und Abbildungsstrahlengang einander überlagert. Diese Überlagerung ist jedoch nicht über den gesamten Beleuchtungsstrahlengang und Abbildungsstrahlengang möglich. Bei den bekannten optischen Systemen, die über ein optisches Abbildungssystem und ein Beleuchtungssystem verfügen, sind der Abbildungsstrahlengang und der Beleuchtungsstrahlengang verzweigt, beispielsweise mittels eines Strahlteilers. Derartige verzweigte Strahlengänge haben jedoch einige Nachteile. Unter anderem werden die optischen Systeme kostenaufwändig hinsichtlich Materialeinsatz und Montage/Justage, beanspruchen mehr Bauraum und sind für Zeit- und temperaturstabile Aufbauten nicht ideal. Auch hohe Schockbelastbarkeiten sind für verzweigte Strahlengänge nicht leicht zu erreichen.
DE 102 54 685 A1 offenbart eine Messeinrichtung zur optischen Untersuchung eines diagnostischen Testelements, mit einer Lichtquelle, einem Photodetektor und einer Vorrichtung zum Positionieren des Testelements zwischen Lichtquelle und Photodetektor, wobei die Lichtquelle ein oder mehrere organische Leuchtdioden aufweist und die Leuchtdioden über ein Trägersubstrat mit einer Abbildungsoptik und/oder dem Photodetektor eine Verbundstruktur bilden.
US 2008/0043238 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Austauschen von Daten zwischen einem Werkzeug und einer Werkzeugaufnahmestruktur, mit einer Anordnung von Sensoren, die in der Aufnahmestruktur angeordnet sind, und zumindest einem Sensorelement, das an dem Werkzeug angeordnet ist.
DE 10 2005 037 490 A1 offenbart einen optischen Sensor mit einem Sender, einem Empfänger und einer Auswerteeinheit zur Generierung eines Objektfeststellungssignals. Der Sender und/oder der Empfänger und/oder Komponenten der Auswerteeinheit sind durch ein Druckverfahren auf einer Polymerfolie aufgebracht.
DE 10 2014 205 705 A1 offenbart einen Leuchttisch für Anwendungen in der Metrologie mit mehreren Lichtquellen und einem auszuleuchtenden Feld, wobei die Leuchtzentren der Lichtquellen die Ausgangspunkte von Lichtquellenachsen darstellen, die das auszuleuchtende Feld senkrecht schneiden und wobei die Leuchtzentren der Lichtquellen einerseits und das auszuleuchtende Feld andererseits einen Zwischenraum im Innenraum des Leuchttisches begrenzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe hinsichtlich des eingangs genannten optischen Systems durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen optischen System sind das Leuchtfeld und das Bildfeld demnach räumlich zusammengeführt, indem sie einander überlagert sind. Mit anderen Worten erfolgt die Lichterzeugung in einer Ebene, in der das Bild des Objektfeldes vom optischen Abbildungssystem erzeugt wird. Das Leuchtfeld und das Bildfeld sind ineinander verschachtelt, was dadurch erreicht wird, dass die Leuchtelemente der Lichtquelle und die Bildgebungselemente des optischen Abbildungssystems in der Bildebene örtlich alternierend angeordnet sind. Der Beleuchtungsstrahlengang und der Abbildungstrahlengang können vorzugsweise streng koaxial ausgeführt sein. Eine Verzweigung im Abbildungsstrahlengang oder im Beleuchtungsstrahlengang ist durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des optischen Systems nicht mehr erforderlich. Nichtsdestoweniger können derartige Verzweigungen vorgesehen sein, um beispielsweise unterschiedliche Vergrößerungen der Abbildung oder unterschiedliche Arbeitsabstände zu realisieren. Auch chromatische Eigenschaften und Polarisationseigenschaften könnten in verzweigten Strahlengängen anders ausgelegt werden.
Im Sinne einer vollständig koaxialen Überlagerung der Strahlengänge wird der Beleuchtungsstrahlengang vorzugsweise vollständig durch das optische Abbildungssystem geführt. Hierbei werden somit alle optischen Elemente des optischen Abbildungssystems vom Beleuchtungslicht genutzt. Dies schließt jedoch nicht aus, wie in weiteren Ausgestaltungen vorgesehen ist, dass im Beleuchtungsstrahlengang zusätzliche optische Elemente vorhanden sind, die vom Beleuchtungslicht genutzt werden, nicht oder zumindest nicht ganz aber vom Abbildungsstrahlengang.
Unter örtlich alternierend ist allgemein eine gemischte Anordnung aus Leuchtelementen und Bildgebungselementen zu verstehen, die nicht regelmäßig in dem Sinn sein muss, dass sich Leuchtelemente und Bildgebungselemente in regelmäßiger Anordnung abwechseln, d.h. einem Leuchtelement muss nicht zwingend ein Bildgebungselement unmittelbar benachbart sein, sondern einem Bildgebungselement kann ein anderes Bildgebungselement unmittelbar benachbart sein, dem ein Leuchtelement folgt, usw.
Das Beleuchtungssystem weist eine erste optische Anordnung auf, die dazu ausgelegt ist, dass Beleuchtungslicht ausgehend von dem Leuchtfeld in eine Pupillenebene des optischen Abbildungssystems zu fokussieren.
Die Bildgebungselemente und die Leuchtelemente bilden vorzugsweise ein zwei-dimensionales Array von Leuchtpixeln und Bildgebungspixeln.
In dieser Ausgestaltung wird ein besonders „feinmaschiger“ Aufbau der Anordnung aus Leuchtelementen und Bildgebungselementen erreicht, der sich für die meisten Anwendungen des optischen Systems gut eignet. In einer optoelektronischen Ausführung mit Halbleiterelementen können die Leuchtpixel und Bildgebungspixel auf einem einzigen Chip realisiert werden. Die Leuchtpixel können beispielsweise durch Mikro-Leuchtdioden gebildet sein, und die Bildgebungselemente durch Mikro-Photodioden oder Mikro-CCD-Detektoren.
Vorzugsweise sind Größenabmessungen der Leuchtelemente und/oder der Bildgebungselemente kleiner als ein Durchmesser eines Airyscheibchen des optischen Abbildungssystems.
Ebenso vorzugsweise sind Abstände zwischen benachbarten Leuchtelementen und Bildgebungselementen kleiner als ein Durchmesser eines Airyscheibchens des optischen Abbildungssystems.
In diesen Ausführungen sind die Leuchtelemente und Bildgebungselemente vorteilhafterweise an das beugungsbegrenzte Auflösungsvermögen des optischen Abbildungssystems angepasst. Vorzugsweise sind die vorstehend genannten Größenabmessungen und/oder Abstände so gewählt, dass sie 1/4 oder weniger vom Durchmesser des Airyscheibchens des optischen Abbildungssystems betragen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung bilden die Leuchtelemente und die Bildgebungselemente eine schachbrettartige Anordnung.
Die schachbrettartige Anordnung kann regelmäßig, symmetrisch, aber auch unregelmäßig, d.h. asymmetrisch sein. In der schachbrettartigen Anordnung können sich Leuchtelemente und Bildgebungselemente jeweils elementweise abwechseln.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind zumindest ein Teil der Leuchtelemente einzeln ein- und ausschaltbar.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es, eine sogenannte strukturierte Beleuchtung auf einfache Weise zu realisieren, indem nur einzelne der Leuchtelemente eingeschaltet werden, während die übrigen ausgeschaltet bleiben. Gegenüber bisherigen Lösungen, die beispielsweise strukturierte Bauteile, beispielsweise mit örtlich variierender Transmission oder Mikrospiegel-Arrays verwenden, ist die vorstehend genannte Lösung zur Realisierung strukturierter Beleuchtung wesentlich einfacher.
Weiter vorzugsweise ist die erste optische Anordnung dazu ausgelegt, das Beleuchtungslicht in Form eines Leuchtpunktmusters zu fokussieren.
Weiterhin vorzugsweise weist die erste optische Anordnung ein Linsenarray auf, das eine Mehrzahl von Linsen aufweist, wobei den Leuchtelementen jeweils eine Linse des Linsenarrays zugeordnet ist.
In den vorstehend genannten Ausgestaltungen kann in der Pupillenebene des optischen Abbildungssystems ein Leuchtpunktmuster erzeugt werden, das wie die Anordnung der Leuchtelemente in der Leuchtfeldebene die Form eines Schachbrettmusters aufweisen kann. Die Linsen können als Mikrolinsen ausgeführt sein.
Weiterhin weist das Beleuchtungssystem vorzugsweise eine zweite optische Anordnung auf, die dazu ausgelegt ist, eine Winkelverteilung des Beleuchtungslichts zu verändern, insbesondere zu spreizen.
Die zweite optische Anordnung dient dazu, einen geeigneten Lichtleitwert bzw. eine geeignete Winkelverteilung des Beleuchtungslichts einzuführen, damit das Objektfeld in der Objektebene so gut wie möglich ausgeleuchtet wird.
Vorteilhafterweise ist die zweite optische Anordnung in einer Pupillenebene des Abbildungssystems angeordnet, in der auch die erste optische Anordnung angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung werden die in der Pupillenebene erzeugten Leuchtpunkte in sich aufweitende Stahlenbündel transformiert, die über ein sammelndes optisches Element des Abbildungssystems auf das Objektfeld gerichtet werden, in dem sich die einzelnen Beleuchtungfsstrahlenbündel homogen überlagern.
Die zweite optische Anordnung ist weiter vorzugsweise dazu ausgelegt, die Winkelverteilung des Beleuchtungslichts durch Streuung, Beugung und/oder Brechung zu verändern.
Bei einer besonders einfachen und kostengünstigen Ausgestaltung der zweiten optischen Anordnung weist die zweite optische Anordnung Streuscheiben auf.
In dieser Ausgestaltung wird die Winkelverteilung des Beleuchtungslichts durch Streuung verändert. Durch Streuung kann ein hoher Lichtleitwert beziehungsweise eine weit aufgefächerte Winkelverteilung des Beleuchtungslichts in der Objektebene erreicht werden.
Ein Füllgrad der zweiten optischen Anordnung beträgt vorzugsweise gleich oder weniger als 10%, und liegt vorzugsweise im Bereich von 1% bis 10%.
Der Vorteil hierbei besteht darin, dass das von der Objektebene kommende Abbildungslicht von der zweiten optischen Anordnung so wenig wie möglich, optimalerweise gar nicht beeinflusst wird, wodurch die optische Abbildung des Objektfeldes in die Bildebene mit hoher Qualität erfolgen kann.
Eine weitere bevorzugte Maßnahme, die verhindert, dass ein Beleuchtungslichtstrahl, der auf seinem Weg zur Objektebene durch die zweite optische Anordnung hindurchgeht, als Abbildungslichtstrahl auf dem Rückweg zur Bildebene nicht nochmals durch die zweite optische Anordnung hindurchtritt, besteht darin, dass die zweite optische Anordnung bezüglich einer optischen Achse des Abbildungssystems nicht punktsymmetrisch ausgebildet ist.
Ebenso ist es bevorzugt, wenn die Leuchtelemente und/oder die Bildgebungselemente nicht punktsymmetrisch zu einer optischen Achse des Abbildungssystems angeordnet sind.
Auch hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass Abbildungsstrahlen, die von der Objektebene in die Bildebene verlaufen, möglichst nicht wieder auf ein Leuchtelement, sondern auf ein Bildgebungselement einfallen.
Des Weiteren kann zumindest ein Teil der Bildgebungselemente mit Polarisations- und Spektralfiltern versehen sein, um die lichtempfindlichen Bildgebungselemente vor der direkten Beaufschlagung mit Beleuchtungslicht zu schützen.
Ein erfindungsgemäßes optisches Gerät weist ein optisches System gemäß einer oder mehreren der vorstehend genannten Ausgestaltungen auf.
Vorzugsweise und vorteilhaft ist das optische Gerät ein optischer Messkopf eines Koordinatenmessgerätes.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Koordinatenmessgerätes mit einem optischen Messkopf;
2 eine schematische Darstellung eines optischen Systems gemäß dem Stand der Technik;
3 eine schematische Darstellung eines optischen Systems zur Erläuterung des Grundprinzips der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines optischen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung; und
5 eine Draufsicht auf eine Anordnung aus einer Mehrzahl von Leuchtelementen und einer Mehrzahl von Bildgebungselementen des optischen Systems in 4.

Bevor die Erfindung detailliert beschrieben wird, wird mit Bezug auf 1 der allgemeine Aufbau eines Koordinatenmessgerätes beschrieben. 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung des mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehenen Koordinatenmessgerätes, in dem die vorliegende Erfindung zum Einsatz kommen kann.
Das Koordinatenmessgerät 10 weist eine Werkstückaufnahme beziehungsweise -Auflage 12 auf, auf der ein zu vermessendes Werkstück 14 platziert werden kann.
An der Werkstückaufnahme 12 ist ein Portal 16 angeordnet. Das Portal 16 dient als bewegliche Trägerstruktur für einen Messkopf 18, mit Hilfe dessen das Werkstück 14 vermessen wird. Der Messkopf 18 ist im vorliegenden Fall ein optischer Messkopf.
Das Portal 16 weist zwei Säulen 20 und einen Querbalken 22 auf, an dem ein Schlitten 24 beweglich gelagert ist. Der Schlitten 24 trägt eine Pinole 26, an deren unteren Ende der Messkopf 18 befestigt ist.
Das Koordinatenmessgerät 10 weist ferner eine Positioniereinrichtung zur Positionierung des Messkopfes 18 und des Werkstückes 14 beziehungsweise der Werkstückaufnahme 12 relativ zueinander auf. Zu dieser Positioniereinrichtung gehören eine Steuereinrichtung 32 und mehrere Antriebe, mit Hilfe derer der Messkopf 18 und die Werkstückaufnahme 12 relativ zueinander bewegt werden.
In dem vorliegenden Beispiel, in dem das Koordinatenmessgerät in Portalbauweise realisiert ist, bewegen die genannten Antriebe den Messkopf 18 gegenüber der Werkstückaufnahme 12, die feststehend ist. Der Messkopf 18 lässt sich dabei entlang dreier orthogonal zueinander ausgerichteter Koordinatenachsen bewegen. Diese Koordinatenachsen werden vorliegend als x-, y-, und z-Achse bezeichnet. Einer dieser Antriebe ist beispielhaft mit dem Bezugszeichen 34 versehen. Der Antrieb 34 ist dazu ausgebildet, das Portal 16 entlang der x-Achse gegenüber der Werkstückaufnahme 12 und damit gegenüber dem Werkstück 14 zu verfahren. Der Schlitten 24, mit Hilfe eines weiteren Antriebs (hier nicht gezeigt) an dem Querbalken 22 entlang der x-Achse verfahren werden. Die Pinole 26 kann relativ zu dem Schlitten 24 entlang der z-Achse verfahren werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung lediglich beispielhaft anhand eines Koordinatenmessgerätes 10 in Portalbauweise erläutert wird. Grundsätzlich kann die Erfindung aber bei Koordinatenmessgeräten in Ausleger- Brücken- oder Ständerbauweise zum Einsatz kommen. Je nach Bauart des Koordinatenmessgerätes 10 lässt sich die Relativbewegung zwischen Werkstückaufnahme 12 beziehungsweise Werkstück 14 und Messkopf 18 entlang einer, zweier oder aller drei Raumrichtungen (x, y, z) auch durch eine Verfahrbarkeit der Basis 12 realisieren.
Die Steuereinheit 32, die vorliegend lediglich schematisch dargestellt ist, dient im Allgemeinen nicht nur zur Steuerung der Positioniereinrichtung und damit zur Steuerung der einzelnen Antriebe 34, sondern auch zur Auswertung der von dem Messkopf 18 gewonnenen Daten und zur Bestimmung der Raumkoordinaten des zu vermessenden Werkstücks 14 anhand der ausgewerteten Messdaten. Mit dem Bezugszeichen 36 sind mehrere Messskalen bezeichnet, die ebenfalls zu der Positioniereinrichtung des Koordinatenmessgerätes 10 gehören. Diese Messskalen 36 sind in Verbindung mit entsprechenden Leseköpfen (hier nicht gezeigt) dazu ausgebildet, die jeweils aktuelle Position des Portals 16 relativ zu der Basis 12, die relative Position des Schlittens 24 relativ zu den Querbalken 22 und die Position der Pinole 26 relativ zu dem Schlitten 24 zu bestimmen.
Der Messkopf 18 kann mit einem Dreh-Schwenk-Gelenk ausgestattet sein, das Encoder aufweist, mit deren Hilfe in ähnlicher Weise die jeweils aktuelle Dreh- und Schwenkposition des Messkopfes 18 relativ zu der Pinole 26 bestimmbar ist. Die genannten Positionswerte werden der Steuereinheit 32 zugeführt, die dann die aktuellen Raumkoordinaten eines Messpunktes an dem zu vermessenden Werkstück 14 anhand der Skalen- und Encoderwerte bestimmt. Des Weiteren ist die Steuereinheit 32 in der Lage, die Antriebe zum Verfahren des Portals 16, des Schlittens 24 und der Pinole 26 sowie die Antriebe des Gelenks des Messkopfes 18 anzusteuern, um den Messkopf in eine definierte Position relativ zu dem zu vermessenden Werkstück 14 zu bringen.
Wie bereits erwähnt, ist der Messkopf 18 als optischer Messkopf ausgebildet, der ein optisches System aufweist, das nachfolgend beschrieben wird.
Zunächst wird mit Bezug auf 2 ein optisches System 100 gemäß dem Stand der Technik beschrieben.
2 zeigt ganz allgemein und schematisch ein optisches System 100, mit einem optischen Abbildungssystem 102, das hier aus Gründen der Einfachheit durch ein optisch abbildendes Element 104 repräsentiert ist. Das optische Abbildungssystem 102 bildet ein Objektfeld 106 in einer Objektebene 108 auf ein Bildfeld 110 in einer Bildebene 112 ab. In der Bildebene ist ein Bildgebungselement, beispielsweise ein Detektor D zur Aufnahme des Bildes angeordnet.
Das optische System 100 weist des weiteren ein Beleuchtungssystem 114 auf, das eine Lichtquelle L aufweist, die in einer Leuchtfeldebene 116 angeordnet ist und Beleuchtungslicht 118 erzeugt, das ausgehend von einem Leuchtfeld 120 entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges in die Objektebene 108 zur Ausleuchtung des Objektfeldes 106 geführt wird. Der Beleuchtungsstrahlengang ist dabei durch das optische Abbildungssystem 102 geführt. Ausgehend von dem ausgeleuchteten Objektfeld 106 gelangt Abbildungslicht durch das optische Abbildungssystem 102 zu dem Bildfeld 110 und wird von dem Detektor D empfangen.
Wie aus 2 hervorgeht, ist der Abbildungsstrahlengang gegenüber dem Beleuchtungsstrahlengang mittels eines Strahlteilers verzweigt. Die Verzweigung von Abbildungsstrahlengang und Beleuchtungsstrahlengang hat die eingangs erwähnten Nachteile.
3 zeigt nun das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen optischen Systems 40. Das optische System 40 weist ein optisches Abbildungssystem 42 auf, das wiederum aus Gründen der Einfachheit durch ein optisch abbildendes Element 44 repräsentiert ist. Das optische Abbildungssystem 42 bildet ein Objektfeld 46 in einer Objektebene 48 auf ein Bildfeld 50 in einer Bildfeldebene 52 ab. Das Objektfeld 46 ist beispielsweise das Werkstück 14 oder ein Abschnitt desselben. Das optische System 40 weist weiterhin ein Beleuchtungssystem 54 auf, deren Lichtquelle in einer Leuchtfeldebene 56 angeordnet ist und Beleuchtungslicht 58 erzeugt, das von einem Leuchtfeld 60 entlang eines Beleuchtungsstrahlenganges in die Objektebene 48 zur Ausleuchtung des Objektfeldes 46 geführt wird. Im Unterschied zu dem optischen System 100 in 2 ist das Leuchtfeld 60 bei dem optischen System 40 in der Bildebene 52 angeordnet und dem Bildfeld 50 überlagert, mit anderen Worten fallen Leuchtfeldebene 56 und Bildebene 52 zusammen. Um eine räumlich zusammenfallende Anordnung von Leuchtfeld 60 und Bildfeld 50 zu ermöglichen, weist die Lichtquelle eine Mehrzahl an Leuchtelementen L₁ bis L_m und das Abbildungssystem 42 eine Mehrzahl an Bildgebungselementen D₁ bis D_n auf, die das Bildfeld 50 bilden, und die Leuchtelemente L₁ bis L_m und die Bildgebungselemente D₁ bis D_n sind örtlich alternierend angeordnet.
Die Leuchtelemente L₁ bis L_m und die Bildgebungselemente D₁ bis D_n bilden vorzugsweise und vorteilhaft ein „feinmaschiges“ Array, insbesondere ein 2-dimensionales Array von Leuchtpixeln und Bildgebungspixeln. Die Anzahl m an Leuchtpixeln und die Anzahl n an Bildgebungspixeln kann gleich oder verschieden sein. Die Anzahl m und/oder die Anzahl n kann sehr groß sein, beispielsweise größer als 100 oder größer als 1000, oder größer als 10.000. In einer optoelektronischen Ausführung mit Halbleiterelementen können die Leuchtpixel und Bildgebungspixel auf einem einzigen Chip realisiert werden. Die Leuchtpixel können beispielsweise durch Mikro-Leuchtdioden gebildet sein, und die Bildgebungselemente durch Mikro-Fotodioden oder Mikro-CCD-Detektoren.
Durch die räumliche Zusammenführung einer Mehrzahl von Leuchtelementen und einer Mehrzahl von Bildgebungselementen bedarf es keiner Verzweigung zwischen Abbildungsstrahlengang und Beleuchtungsstrahlengang mehr, beide sind vielmehr vollständig überlagert. Der Strahlteiler 120 in 2 entfällt bei dem optischen System 40 in 3. Die durch die im Stand der Technik vorhandene Verzweigung dieser beiden Strahlengänge verursachten Nachteile werden somit behoben.
Nichtsdestoweniger kann eine Strahlengangverzweigung auch bei dem optischen System 40 zusätzlich vorgesehen sein, um beispielsweise einen Strahlengang für eine andere Vergrößerung oder für eine sonstige andere optische Wirkung einzuführen.
Mit Bezug auf 4 und 5 werden weitere Einzelheiten der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles des optischen Systems 40 in 3 beschrieben, dessen Komponenten, die mit Komponenten des Systems 40 in 3 identisch, ähnlich oder vergleichbar sind, mit denselben Bezugszeichen wie in 3 versehen sind.
Das optische System 40 ist für eine Hellfeld-Auflicht-Beleuchtung des Objektfeldes 46 ausgelegt.
Das optische Abbildungssystem 42 des Systems 40 ist in 4 durch zwei optisch abbildende Elemente 44a und 44b repräsentiert.
Eine Pupillenebene des optischen Systems 40 ist in 4 mit dem Bezugszeichen 62 versehen. In der Pupillenebene 62 kann eine Blende 64 angeordnet sein.
Es wurde oben bereits erwähnt, dass die Bildgebungselemente D₁ bis D_n und die Leuchtelemente L₁ bis L_m eine möglichst feinmaschige verschachtelte Anordnung, d.h. ein feinmaschiges Array von örtlich alternierenden Elementen bilden sollten. Vorteilhaft ist es, wenn die Größenabmessungen der Leuchtelemente L₁ bis L_m und/oder die Größenabmessungen der Bildgebungselemente D₁ bis D_n kleiner sind als ein Durchmesser, vorzugsweise kleiner als ¼ des Durchmessers eines Airyscheibchens des optischen Abbildungssystems 42. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Abstände zwischen benachbarten Leuchtelementen L₁ bis L_m und Bildgebungselementen D₁ bis D_n kleiner sind als ein Durchmesser, vorzugsweise kleiner als ¼ eines Airyscheibchens des optischen Abbildungssystems 42.
Die „Feinmaschigkeit“ der Anordnung aus den Leuchtelementen D₁ bis D_n und den Leuchtelementen L₁ bis L_m wird somit vorzugsweise an dem beugungsbegrenzten Auflösungsvermögen des optischen Abbildungssystems 42 orientiert.
In 5 ist ein Beispiel für eine örtlich alternierende schachbrettartige Anordnung aus Leuchtelementen (repräsentiert durch ein „x“) und Bildgebungselementen (repräsentiert durch ein „o“) gezeigt. Es handelt sich hierbei jedoch nur um ein Beispiel einer örtlich alternierenden Anordnung von Leuchtelementen und Bildgebungselementen, auf das die vorliegende Erfindung nicht beschränkt ist. Die schachbrettartige Anordnung muss nicht regelmäßig sein, sondern kann auch unregelmäßig sein, und es ist auch nicht erforderlich, dass ein Leuchtelement unmittelbar zu einem Bildgebungselement benachbart ist.
Wieder mit Bezug auf 4 ist zu erkennen, dass der Beleuchtungsstrahlengang, der in 4 durch Strahlenbündel 68₁ bis 68_m repräsentiert ist, vollständig durch das optische Abbildungssystem 42 geführt ist.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der Leuchtelemente L₁ bis L_m einzeln ein- und ausschaltbar sind. Auf diese Weise können verschiedene Beleuchtungs-Settings eingestellt werden, um eine strukturierte Beleuchtung bereitzustellen.
Das Beleuchtungssystem 54 des optischen Systems 40 weist eine optische Anordnung 70 auf, die das Beleuchtungslicht (Strahlenbündel 68₁ bis 68_m) ausgehend von dem Leuchtfeld 60 in die Pupillenebene 62 des optischen Abbildungssystems 40 fokussiert. Die optische Anordnung 70 ist insbesondere dazu ausgelegt, das Beleuchtungslicht in die Pupillenebene 62 in Form eines Leuchtpunktmusters zu fokussieren. In 4 sind die den Leuchtelementen L₁ bis L_m zugeordneten Leuchtpunkte in der Pupillenebene 62 mit den Bezugszeichen 72₁ bis 72_m versehen. Die optische Anordnung 70 weist vorzugsweise ein Linsenarray auf, das eine Mehrzahl von Linsen, vorzugsweise Mikrolinsen 74₁ bis 74_m aufweist, wobei jedem Leuchtelement L₁ bis L_m eine Linse 74₁ bis 74_m des Linsenarrays zugeordnet ist. Die Linsen 74₁ bis 74_m fokussieren das von dem jeweiligen Leuchtelement L₁ bis L_m ausgehende Beleuchtungslichtbündel im Zusammenwirken mit dem optisch abbildenden Element 44a in die Pupillenebene 62, wodurch die Leuchtpunkte 72₁ bis 72_m in der Pupillenebene 62 entstehen.
Um einen möglichst hohen Lichtleitwert beziehungsweise eine möglichst große Winkelverteilung im Beleuchtungslicht im Objektfeld 46 zu erzielen, damit das Beleuchtungslicht das Objektfeld 46 möglichst vollständig und gleichmäßig ausleuchtet, weist das optische System 40 eine weitere optische Anordnung 76 auf, die eine Winkelverteilung des Beleuchtungslichts verändert, insbesondere aufweitet. Die zweite optische Anordnung 76 kann als streuende, beugende und/oder brechende optische Anordnung ausgebildet sein, um die Winkelverteilung des Beleuchtungslichts zu verändern. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die optische Anordnung 76 eine streuende optische Anordnung, die eine Mehrzahl von Streuscheiben 78₁ bis 78_m aufweist. Anstatt einzelner Streuscheiben kann die optische Anordnung 76 auch als transparente Platte, beispielsweise Glasplatte ausgebildet sein, auf der ein Streuscheibenarray, beispielsweise durch eine streuende Strukturierung, ausgebildet ist.
Das der optischen Anordnung 76 in Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichts nachgeordnete optisch abbildende Element 44b sammelt das Beleuchtungslicht zur homogenen Ausleuchtung des Objektfeldes 46 in der Objektebene 48.
Die Linsen 74₁ bis 74_m und die streuenden Elemente 78₁ bis 78_m sollten soweit wie möglich nur einen Einfluss auf den Beleuchtungslichtstrahlengang haben, nicht jedoch auf den Abbildungsstrahlengang, der von der Objektebene 46 zurück durch das optische Abbildungssystem 42 zu den bildgebenden Elementen D₁ bis D_n führt.
Eine Maßnahme, um dies zu gewährleisten, besteht darin, dass die streuenden Elemente 72₁ bis 72_m oder allgemeiner die optische Anordnung 76 die Pupille 62 mit einem Füllgrad füllt, der gleich oder weniger als 10% beträgt. Vorzugsweise liegt der Füllgrad im Bereich von 1% bis 10%. Das gleiche kann für die optische Anordnung 70 vorgesehen sein.
Eine weitere Maßnahme zur Vermeidung einer Beeinflussung des Abbildungslichtes durch die optische Anordnung 76 besteht darin, dass die Pupille in der Pupillenebene 62 nicht symmetrisch zur optischen Achse aufgebaut ist. Ein Beleuchtungs-Lichtstrahl, der beispielsweise von dem Leuchtelement L₁ auf dem Hinweg zum Objektfeld 46 auf das streuende Element 78₁ trifft, darf auf seinem Rückweg zu einem der Detektoren D₁ bis D_n nicht wieder auf eines der streuenden Elemente 78₁ bis 78_m treffen. Dies kann dadurch gewährleistet werden, dass die optische Anordnung 76, dass heißt die streuenden Elemente 78₁ bis 78_m, bezüglich der optischen Achse O des Abbildungssystems nicht punktsymmetrisch ausgebildet ist.
Das gleiche gilt für die Anordnung aus den Leuchtelementen L₁ bis L_m, den Linsen 74₁ bis 74_m und den Bildgebungselementen D₁ bis D_n, dass heißt auch diese Anordnungen sollten nicht punktsymmetrisch zu der optischen Achse O des optischen Abbildungssystems 42 angeordnet sein.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der Bildgebungselemente D₁ bis D_n, die als fotoempfindliche Mikrodetektoren ausgebildet sein können, mit Polarisations- und/oder Spektralfiltern versehen sind.
Das optische System 40 lässt sich in dem optischen Messkopf 18 des Koordinatenmessgerätes 10 in 1 vorteilhaft einsetzen.
Es sind jedoch auch andere Anwendungen des optischen Systems 40 denkbar, beispielsweise in einem Mikroskop, Teleskop oder anderen optischen Bildgebungsvorrichtungen.

Claims

Optisches System, mit einem optischen Abbildungssystem (42), das dazu ausgelegt ist, ein Objektfeld (46) in einer Objektebene (48) entlang eines Abbildungsstrahlengangs auf ein Bildfeld (50) in einer Bildebene (52) abzubilden, und mit einem Beleuchtungssystem (54), das eine Lichtquelle aufweist, die in einer Leuchtfeldebene (56) angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, Beleuchtungslicht zu erzeugen, das von einem Leuchtfeld (60) entlang eines Beleuchtungsstrahlengangs in die Objektebene (48) zur Ausleuchtung des Objektfeldes (46) geführt wird, wobei das Leuchtfeld (60) dem Bildfeld (50) überlagert ist, und dass die Lichtquelle eine Mehrzahl an Leuchtelementen (L₁, ..., L_m) aufweist, die das Leuchtfeld (60) bilden, und das Abbildungssystem (42) eine Mehrzahl an Bildgebungselementen (D₁, ..., D_n) aufweist, die das Bildfeld (50) bilden, wobei die Leuchtelemente (L₁, ..., L_m) und die Bildgebungselemente (D₁, ..., D_n) örtlich alternierend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem (54) eine erste optische Anordnung (70) aufweist, die dazu ausgelegt ist, das Beleuchtungslicht ausgehend von dem Leuchtfeld (60) in eine Pupillenebene (62) des optischen Abbildungssystems (42) zu fokussieren.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgebungselemente (D₁, ..., D_n) und die Leuchtelemente (L₁, ..., L_m) ein zwei-dimensionales Array von Leuchtpixeln und Bildgebungspixeln bilden.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Größenabmessungen der Leuchtelemente (L₁, ..., L_m) und/ oder der Bildgebungselemente (D₁, ..., D_n) kleiner sind als ein Durchmesser eines Airyscheibchens des optischen Abbildungssystems.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Abstände zwischen benachbarten Leuchtelementen (L₁, ..., L_m) und Bildgebungselementen (D₁, ..., D_n) kleiner sind als ein Durchmesser eines Airyscheibchens des optischen Abbildungssystems.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtelemente (L₁, ..., L_m) und die Bildgebungselemente (D₁, ..., D_n) eine schachbrettartige Anordnung bilden.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Leuchtelemente (L₁, ..., L_m) einzeln ein- und ausschaltbar sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Anordnung (70) dazu ausgelegt ist, das Beleuchtungslicht in Form eines Leuchtpunktmusters zu fokussieren.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Anordnung (70) ein Linsenarray aufweist, das eine Mehrzahl von Linsen (74₁, ..., 74_m) aufweist, wobei den Leuchtelementen (L₁, ..., L_m) jeweils eine Linse des Linsenarrays zugeordnet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem (54) eine zweite optische Anordnung (76) aufweist, die dazu ausgelegt ist, eine Winkelverteilung des Beleuchtungslichts zu verändern, insbesondere zu spreizen.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Anordnung (76) in der Pupillenebene (62) angeordnet ist.
System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Anordnung (76) dazu ausgelegt ist, die Winkelverteilung des Beleuchtungslichts durch Streuung, Beugung und/oder Brechung zu verändern.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Anordnung (76) Streuscheiben (78₁, ..., 78_m) aufweist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Füllgrad der zweiten optischen Anordnung (76) gleich oder weniger als 10% beträgt, vorzugsweise im Bereich von 1% bis 10% liegt.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Anordnung (76) bezüglich einer optischen Achse (O) des Abbildungssystems (42) nicht punktsymmetrisch ausgebildet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtelemente (L₁, ..., L_m) und/oder die Bildgebungselemente (D₁, ..., D_n) nicht punktsymmetrisch zu einer optischen Achse (O) des Abbildungssystems (42) angeordnet sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Bildgebungselemente (D₁, ..., D_n) mit Polarisations- und/oder Spektralfiltern versehen sind.
Optisches Gerät, gekennzeichnet durch ein optisches System (40) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16.
Optisches Gerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass es ein optischer Messkopf (18) eines Koordinatenmessgerätes (10) ist.