DE102018118290A1

DE102018118290A1 - Sensor zur Bestimmung von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts

Info

Publication number: DE102018118290A1
Application number: DE102018118290.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Seesselberg; Aksel Göhnermeier
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2020-01-30

Abstract

Ein Sensor (10) zur Bestimmung von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts (30) weist eine chromatische Lichtquelle (12), eine optische Anordnung (14) mit einem Zuordnungselement (34), eine Spektrometeranordnung (16) und eine Auswerte- und Steuereinrichtung (18) auf. Die Spektrometeranordnung (16) weist einen Detektor (20) mit mehreren Detektorzeilen (36) auf. Die optische Anordnung (14) weist einen Beleuchtungsstrahlengang (24) und einen Abbildungsstrahlengang (26) auf. Die chromatische Lichtquelle (12) ist eingerichtet, um einen Beleuchtungslichtstrahl (28) auszusenden. Der Beleuchtungsstrahlengang (24) ist eingerichtet, um dem Beleuchtungslichtstrahl (28) eine chromatische Längsaberration aufzuprägen und um das Messobjekt (30) mit dem Beleuchtungslichtstrahl (28) zu beaufschlagen. Der Abbildungsstrahlengang (26) ist eingerichtet, um von dem Messobjekt (30) reflektiertes Licht zu der Spektrometeranordnung (16) zu führen. Der Sensor (10) ist eingerichtet, um aus von mehreren Messpunkten (38) des Messobjekts (30) reflektiertem Licht je Messpunkt (32) eine spektrale Verteilung zu erzeugen und mittels der Auswerte- und Steuereinrichtung (18) aus der spektralen Verteilung einen Abstandswert des jeweiligen Messpunkts (32) zu einem Teil des Sensors (10) zu erfassen. Das Zuordnungselement (34) ist eingerichtet, um von jedem Messpunkt (32) der mehreren Messpunkte (38) des Messobjekts (30) reflektiertes Licht eineindeutig einer der mehreren Detektorzeilen (36) zuzuordnen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts, wobei der Sensor eine chromatische Lichtquelle, eine optische Anordnung mit einem Zuordnungselement, eine Spektrometeranordnung und eine Auswerte- und Steuereinrichtung aufweist, wobei die Spektrometeranordnung einen Detektor mit mehreren Detektorzeilen aufweist, wobei die optische Anordnung einen Beleuchtungsstrahlengang und einen Abbildungsstrahlengang aufweist, wobei die chromatische Lichtquelle eingerichtet ist, um einen Beleuchtungslichtstrahl auszusenden, wobei der Beleuchtungsstrahlengang eingerichtet ist, um dem Beleuchtungslichtstrahl eine chromatische Längsaberration aufzuprägen und um das Messobjekt mit dem Beleuchtungslichtstrahl zu beaufschlagen, wobei der Abbildungsstrahlengang eingerichtet ist, um von dem Messobjekt reflektiertes Licht zu der Spektrometeranordnung zu führen, wobei der Sensor eingerichtet ist, um aus von mehreren Messpunkten des Messobjekts reflektiertem Licht je Messpunkt eine spektrale Verteilung zu erzeugen und mittels der Auswerte- und Steuereinrichtung aus der spektralen Verteilung einen Abstandswert des jeweiligen Messpunkts zu einem Teil des Sensors zu erfassen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Koordinatenmessgerät aufweisend den Sensor.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts, mit den Schritten:

- Bereitstellen eines Sensors mit einer chromatischen Lichtquelle, einer optischen Anordnung mit einem Zuordnungselement, einer Spektrometeranordnung und einer Auswerte- und Steuereinrichtung, wobei die Spektrometeranordnung einen Detektor mit mehreren Detektorzeilen aufweist, wobei die optische Anordnung einen Beleuchtungsstrahlengang und einen Abbildungsstrahlengang aufweist,
- Anordnen des Messobjekts relativ zu dem Sensor,
- Aussenden eines Beleuchtungslichtstrahls mittels der chromatischen Lichtquelle,
- Aufprägen einer chromatischen Längsaberration auf den Beleuchtungslichtstrahl und Beaufschlagen des Messobjekts mit dem Beleuchtungslichtstrahl mittels des Beleuchtungsstrahlengangs,
- Führen von von dem Messobjekt reflektiertem Licht zu der Spektrometeranordnung mittels des Abbildungsstrahlengangs,
- Erzeugen einer spektralen Verteilung je Messpunkt aus von mehreren Messpunkten des Messobjekts reflektiertem Licht und Erfassung eines Abstandswerts des jeweiligen Messpunkts zu einem Teil des Sensors aus der spektralen Verteilung mittels der Auswerte- und Steuereinrichtung.

US 8,477,320 B2 offenbart einen solchen Sensor und ein entsprechendes Verfahren. US 8,477,320 B2 offenbart insbesondere eine Messanordnung zum dreidimensionalen Messen von zumindest einem Teil eines Objekts, umfassend zumindest eine Lichtquelle mit einem kontinuierlichen Spektrum. Die Messanordnung weist weiterhin eine Einrichtung zum Erzeugen eines multifokalen Beleuchtungsmusters, ein Objektiv mit großer chromatischer Aberration zur Abbildung von Fokussen des Beleuchtungsmusters auf das Objekt, eine Detektiereinrichtung zur Ermittlung der Wellenlängenspektren der über das Objektiv auf das Objekt abgebildeten Fokusse. Zwischen der Lichtquelle und dem Objektiv sind das Beleuchtungsmuster erzeugende Lichtleiter angeordnet. Die objektseitigen Enden der Lichtleiter sind in einer Abbildungsebene oder einem Abbildungsebenen umfassenden Bereich des Objektivs angeordnet. Zwischen den beleuchtungsseitigen Enden der Lichtleiter und der Detektiereinrichtung ist eine Umlenkeinrichtung für das aus dem Lichtleiter austretende und von dem Objekt remittierte Licht angeordnet. Die objektseitigen Enden der Lichtleiter sind derart angeordnet, dass objektseitig eine Messpunkteverteilung abbildbar ist, die von einer beleuchtungs- bzw. detektorseitigen Mikrolinsen- bzw. Pinholeverteilung unabhängig ist.
WO 2014/023344 A1offenbart eine Vorrichtung zum Inspizieren eines Messobjekts. Die Vorrichtung weist eine Werkstückaufnahme zur Aufnahme des Messobjekts auf. Die Vorrichtung weist weiterhin einen einen optischen Sensor tragenden Messkopf auf, wobei der Messkopf und die Werkzeugaufnahme relativ zueinander verfahrbar sind. Der optische Sensor weist ein Objektiv und eine Kamera auf, die dazu ausgebildet ist, ein Bild des Messobjekts durch das Objektiv entlang eines Abbildungsstrahlengangs aufzunehmen. Das Objektiv weist eine Lichteintrittsöffnung und eine Lichtaustrittsöffnung auf. Das Objektiv weist ferner eine Blende und eine Vielzahl von Linsengruppen auf, die in dem Objektiv zwischen der Lichteintrittsöffnung und der Lichtaustrittsöffnung hintereinander entlang einer Längsachse des Objektivs angeordnet sind. Mindestens zwei Linsengruppen sind parallel zu der Längsachse verschiebbar. Die Vorrichtung weist eine Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten des Messobjekts entlang eines Beleuchtungsstrahlengangs auf. Die Vorrichtung weist weiterhin eine chromatische Baugruppe auf. Die Vorrichtung ist derart ausgebildet, dass die chromatische Baugruppe wahlweise in den Beleuchtungsstrahlengang und/oder den Abbildungsstrahlengang einbringbar ist.
DE 103 21 885 A1 offenbart eine konfokale Anordnung mit einem Prüfobjektiv. Die konfokale Anordnung beinhaltet eine brechkraftvariable, abbildende Komponente. Dabei ist eine Hauptebene dieser Komponente zumindest näherungsweise in der dem Objekt abgewandten Brennebene des Prüfobjekts angeordnet.
DE 10 2007 019 267 A1 offenbart eine Messanordnung sowie ein Verfahren zum dreidimensionalen Messen von zumindest einem Teil eines Objekts. Die Messanordnung umfasst eine Lichtquelle mit einem kontinuierlichen Spektrum, eine Einrichtung zur Erzeugung eines multifokalen Beleuchtungsmusters, ein Objektiv mit großer chromatischer Aberration zur Abbildung von Fokussen des Beleuchtungsmusters auf das Objekt, eine Detektiereinheit zur Ermittlung der Längenwellenspektren der konfokal über das Objektiv auf das Objekt abgebildeten Fokusse sowie eine spektral-dispersive Einrichtung, die zwischen den konfokal abgebildeten Fokussen und der Detektionseinrichtung angeordnet ist. Um auch bei bewegten Objekten in relativ kurzer Zeit ein Oberflächenprofil erstellen zu können, das eine hohe Genauigkeit aufweist, wird in der DE 10 2007 019 267 A1 vorgeschlagen, dass in der Ebene der konfokal abgebildeten Fokusse ein erstes Lochmuster mit ersten Löchern angeordnet ist. Eine geometrische Anordnung der ersten Löcher entspricht einer geometrischen Anordnung der Fokusse des multifokalen Beleuchtungsmusters.
EP 0 321 529 B1 offenbart eine Vorrichtung zum Messen von Abständen zwischen einem optischen Element mit großer chromatischer Aberration und einem Gegenstand. Die Vorrichtung weist eine aus mehreren Lichtpunkten gebildete, weißes Licht aussendende Lichtquelle auf, die derart angeordnet ist, dass das von ihr ausgehende Licht durch das optische Element auf die Oberfläche des Gegenstandes abgebildet und teilweise reflektiert wird. Die Vorrichtung weist weiterhin eine spektraldispersive Apparatur auf, die derart angeordnet ist, dass sie von der Oberfläche reflektiertes, durch das optische Element hindurchgetretenes Licht empfängt und auf einer Empfangsoberfläche abbildet. Das optische Element ist als Linse ausgebildet und die spektraldispersive Apparatur besteht aus einem transparenten Beugungsgitter, das derart an der Linse angebracht ist, dass es etwa die halbe Linsenfläche abdeckt. Das Beugungsgitter streut das empfangene reflektierte Licht gemäß dem für die unterschiedlichen Wellenlängen charakteristischen Winkel, wobei die seitlichen Ablenkungen für die Entfernung der verschiedenen Teile des Oberflächenprofils des Gegenstandes entlang der optischen Achse charakteristisch sind.
WO 2014/076649 A1 offenbart ein optisches Messverfahren zum Erfassen einer Oberflächentopografie eines Messobjekts. Es wird eine Messvorrichtung mit einem Messkopf in einer Messkopfführungsvorrichtung für eine chromatisch-konfokale Erfassung der Oberflächentopografie bereitgestellt. Weiterhin wird spektral breitbandiges Licht einer Lichtquelle aus einem Faserarray mit i Fasern von i Messkanälen über eine gemeinsame Messkopfoptik unter Ausbilden eines Spotarrays aus i Messspots auf dem Messobjekt aufgebracht. Es werden i Reflexionsspektren der i Messkanäle erfasst und digitalisiert. Die digitalisierten Reflexionsspektren werden unter Herausrechnen von zeitlichen Variationen systematischer Messfehler und von zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen der Messkopfführungsvorrichtung ausgewertet.
WO 2014/0233443 A1 offenbart ein Koordinatenmessgerät zum Vermessen eines Messobjekts. EP 1 398 597 A1 offenbart einen Sensor zur schnellen optischen Abstandsmessung nach dem konfokalen Abbildungsprinzip.
Auf der Internetseite https://www.schott.com/d/lightingimaging/aa1e5cc6-e8b7-455f-9b43-c7ead0552c3b/1.0/industrial_fiber_optic_components_e_0904.pdf (Download am 18.05.2018) werden Faserbündel offenbart. Insbesondere zeigt die genannte Internetseite Fasern in flexiblen Lichtleitern, die in unterschiedlichen Mustern angeordnet sind.
Das in EP 0 321 529 B1 beschriebene System hat insbesondere den Nachteil, nur einen Objektstreifen gleichzeitig vermessen zu können. Um eine zweidimensionale Fläche vermessen zu können, muss der Sensor relativ zu dem Objekt bewegt werden. Ein weiterer Nachteil ist die Schwierigkeit, dass die streifen- oder punktförmigen Lichtquellen genau zu den Eingangsöffnungen des Spektrometers justiert werden müssen.
Das in DE 10 2007 019 267 A1 beschriebene System erreicht lediglich eine geringe Auflösung hinsichtlich eines Abstandswerts, insbesondere da Spektren zu Objektpunkten in einer Raumrichtung nebeneinander angeordnet werden, so dass weniger Pixel zur Bestimmung des Spektrums verwendet werden können. Weiterhin ist es aufwändig, die Mikrolinsen und die Pinholes exakt zueinander zu justieren.
Das in US 8,477,320 B2 beschriebene System weist ebenfalls eine geringe erreichbare Auflösung der Abstandswerte auf, da die Spektren zu Objektpunkten in einer Raumrichtung nebeneinander angeordnet werden und somit die spektrale Auflösung eingeschränkt ist.
Das in DE 103 21 885 A1 beschriebene System erfordert eine brechkraftvariable Komponente, von der genau bekannt sein muss, wie groß deren Brechkraft ist.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor, ein Koordinatenmessgerät und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, die auf effiziente Weise eine höhere Messgenauigkeit ermöglichen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen Sensor der eingangs genannten Art, wobei das Zuordnungselement eingerichtet ist, um von jedem Messpunkt der mehreren Messpunkte des Messobjekts reflektiertes Licht eineindeutig einer der mehreren Detektorzeilen zuzuordnen.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Koordinatenmessgerät aufweisend den vorgeschlagenen Sensor gelöst.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei das Zuordnungselement von jedem Messpunkt der mehreren Messpunkte des Messobjekts reflektiertes Licht eineindeutig einer der mehreren Detektorzeilen zuordnet.
Bei der geometrischen Eigenschaft kann es sich bevorzugt um einen Abstandswert zwischen einem Referenzpunkt des Sensors und einer reflektierenden Oberfläche des Messobjekts handeln. Die reflektierende Oberfläche des Messobjekts kann beispielsweise eine Oberfläche oder eine Grenzfläche sein.
Der Sensor kann bevorzugt eingerichtet sein, um eine optische Vermessung von Topografien von Oberflächen zu erreichen. Beispielsweise kann der Sensor eingerichtet sein, um eine Topografie des Messobjekts zu erfassen. Der Sensor kann insbesondere eingerichtet sein, um das Messobjekt dreidimensional zu erfassen.
Die chromatische Lichtquelle ist eine breitbandige Lichtquelle, beispielsweise eine Weißlichtquelle. Die optische Anordnung kann beispielsweise ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe umfassend eine Linse, einen Spiegel, einen Strahlteiler, einen Polarisator, einen Farbfilter, einen Polarisationsfilter umfassen. Die optische Anordnung kann insbesondere mindestens eine Linse ohne chromatische Korrektur aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die optische Anordnung ein oder mehrere diffraktive optische Elemente, insbesondere Kinoformen, aufweisen. Diffraktive optische Elemente, beispielsweise Kinoformen, können insbesondere zu einer Erzielung einer großen chromatischen Längsaberration genutzt werden.
Die Spektrometeranordnung kann eingerichtet sein, um eine spektrale Verteilung zu erfassen. Beispielsweise kann die Spektrometeranordnung eingerichtet sein, um Licht entsprechend der Frequenz aufzufächern. Beispielsweise kann die Spektrometeranordnung mindestens ein Prisma oder ein diffraktives optisches Element, beispielsweise ein Beugungsgitter, aufweisen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, um das vorgeschlagene Verfahren durchzuführen. Der Detektor kann beispielsweise eine Kamera aufweisen. Insbesondere kann der Detektor ein Matrixdetektor sein, beispielsweise mit einer zweidimensionalen Messfläche. Besonders bevorzugt kann der Detektor eine Matrixkamera aufweisen.
Die mehreren Detektorzeilen können beispielsweise eine erste Detektorzeile aufweisen. Bei der ersten Detektorzeile kann es sich insbesondere um eine Reihe von Eingangskanälen des Detektors handeln. Die erste Detektorzeile kann insbesondere eine gerade Linie von Detektoreingängen sein. Der Detektor kann insbesondere senkrecht zueinander angeordnete Detektorzeilen und Detektorspalten aufweisen. Der Detektor kann beispielsweise eine rechteckige Detektorfläche aufweisen.
Die mehreren Messpunkte können beispielsweise einen ersten Messpunkt aufweisen.
Der Beleuchtungsstrahlengang kann insbesondere ein Strahlengang sein, welcher Licht von der chromatischen Lichtquelle in Richtung zu dem Messobjekt leitet. Der Beleuchtungsstrahlengang kann sich beispielsweise von der chromatischen Lichtquelle bis zu dem Messobjekt erstrecken.
Der Abbildungsstrahlengang kann bevorzugt eingerichtet sein, um Licht von dem Messobjekt zu dem Detektor zu leiten. Der Abbildungsstrahlengang kann sich vorzugsweise von dem Messobjekt bis zu dem Detektor erstrecken.
Dem Beleuchtungslichtstrahl kann die chromatische Längsaberration insbesondere mittels chromatisch nicht korrigierter Linsen aufgeprägt werden. Beispielsweise kann der Sensor ein Objektiv aufweisen, insbesondere ein Objektiv mit einer Linse ohne chromatische Korrektur und mit einer chromatischen Längsabweichung. Die optische Anordnung kann insbesondere ein Objektiv aufweisen, welches telezentrisch ausgebildet ist. Das Objektiv kann beispielsweise zwei Linsen aufweisen. Alternativ hierzu kann das Objektiv lediglich eine Linse aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Objektiv ein diffraktives optisches Element aufweisen. Beispielsweise kann das Objektiv einen oder mehrere Spiegel aufweisen.
Nachdem dem Beleuchtungslichtstrahl eine chromatische Längsaberration aufgeprägt wurde, kann das Messobjekt mit dem Beleuchtungslichtstrahl beaufschlagt werden. Von dem Messobjekt reflektiertes Licht kann insbesondere konfokal zu der Spektrometeranordnung geführt werden. Die Spektrometeranordnung kann insbesondere ausgebildet sein, um eine erste spektrale Verteilung zu erzeugen, beispielsweise von dem ersten Messpunkt der mehreren Messpunkte des Messobjekts, insbesondere um von dem ersten Messpunkt des Messobjekts reflektiertes Licht spektral aufzuspalten.
Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann insbesondere ausgebildet sein, um aus einer zentralen Frequenz der ersten spektralen Verteilung und/oder aus einem Peak der ersten spektralen Verteilung auf einen ersten Abstandswert, beispielsweise auf den Abstandswert des ersten Messpunkts, zu schließen. Der erste Abstandswert ist insbesondere ein Abstand zwischen dem ersten Messpunkt und einem Teil des Sensors. Beispielsweise kann der erste Abstandswert ein Abstand zwischen dem ersten Messpunkt und einer Linse des Sensors sein.
Beispielsweise kann der Sensor eingerichtet sein, um aus von dem ersten Messpunkt des Messobjekts reflektiertem Licht die erste spektrale Verteilung zu erzeugen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, um mittels der ersten spektralen Verteilung einen ersten Abstandswert des ersten Messpunkts zu einem Teil des Sensors zu erfassen.
Der Sensor kann eingerichtet sein, um mindestens 70 %, beispielsweise mindestens 80 %; bevorzugt mindestens 90 %, der ersten Detektorzeile, besonders bevorzugt die gesamte erste Detektorzeile, zur Erzeugung der ersten spektralen Verteilung zu nutzen, insbesondere derart, dass eine maximal hohe Auflösung mit dem entsprechenden Detektor erreicht werden kann. Beispielsweise kann der Sensor eingerichtet sein, um mindestens 70 %, beispielsweise mindestens 80 %; bevorzugt mindestens 90 %, besonders bevorzugt die gesamte Messoberfläche der ersten Detektorzeile zur Erzeugung der ersten spektralen Verteilung zu beleuchten, insbesondere mit dem von dem ersten Messpunkt des Messobjekts reflektierten Licht. Beispielsweise kann jede Spalte des Detektors einer Frequenz des Lichts, insbesondere des von dem Messobjekt reflektierten Lichts, zugeordnet werden. Beispielsweise können die Enden der ersten Detektorzeile einer minimalen Frequenz der chromatischen Lichtquelle und einer maximalen Frequenz der chromatischen Lichtquelle zugeordnet werden. Beispielsweise kann eine spektrale Breite der chromatischen Lichtquelle genau auf die Breite der ersten Detektorzeile abbildbar sein. Alternativ hierzu kann die spektrale Breite der chromatischen Lichtquelle breiter sein als die Breite der ersten Detektorzeile. Beispielsweise kann der Sensor eingerichtet sein, um mit der ersten Detektorzeile einen Ausschnitt des Spektrums des Beleuchtungslichtstrahls zu erfassen.
Der Detektor kann beispielsweise ein 2D-Bildsensor sein. Beispielsweise können die mehreren Detektorzeilen des Detektors 100 bis 10000 Detektorzeilen, insbesondere 500 bis 5000 Detektorzeilen, insbesondere 1000 bis 2000 Detektorzeilen aufweisen, insbesondere mit der ersten Detektorzeile. Beispielsweise kann der Detektor 100 bis 10000 Detektorspalten, insbesondere 500 bis 5000 Detektorspalten, insbesondere 1000 bis 2000 Detektorspalten aufweisen.
Der Sensor kann insbesondere eingerichtet sein, um eine Raumrichtung des Detektors vollständig zur Auflösung der spektralen Verteilung, insbesondere der ersten spektralen Verteilung, zu nutzen. Beispielsweise kann ein Prismenwinkel oder eine Gitterweite des Beugungsgitters derart gewählt sein, dass mindestens 70 %, beispielsweise mindestens 80 %; bevorzugt mindestens 90 %, besonders bevorzugt die gesamte erste Detektorzeile zur Erzeugung der ersten spektralen Verteilung genutzt werden kann. Beispielsweise kann die Breite der ersten Detektorzeile auch breiter sein als die spektrale Breite der chromatischen Lichtquelle.
Beispielsweise kann die Spektrometeranordnung eine Vorrichtung aufweisen, um Prismen aus Materialien mit unterschiedlicher Dispersion und/oder Prismen mit unterschiedlichen Prismenwinkeln und/oder Beugungsgitter mit unterschiedlicher Gitterweite einzuschwenken, insbesondere um aus mehreren möglichen Messbereichen eine Auswahl zu treffen. Hierdurch kann die Spektrometeranordnung an eine Anwendung angepasst werden, beispielsweise um eine Auflösung zu optimieren.
Beispielsweise können die mehreren Detektorzeilen eine zweite Detektorzeile aufweisen. Die zweite Detektorzeile kann beispielsweise die gleiche Länge wie die erste Detektorzeile aufweisen. Die zweite Detektorzeile kann beispielsweise parallel zu der ersten Detektorzeile angeordnet sein. Die erste Detektorzeile kann beispielsweise die oberste Zeile oder die unterste Zeile des Detektors sein. Die zweite Detektorzeile kann beispielsweise die zweitoberste Zeile oder die zweitunterste Zeile des Detektors sein.
Beispielsweise kann der Sensor eingerichtet sein, um aus von einem zweiten Messpunkt des Messobjekts reflektiertem Licht eine zweite spektrale Verteilung zu erzeugen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, um mittels der zweiten spektralen Verteilung einen zweiten Abstand des zweiten Messpunkts zu einem Teil des Sensors zu erfassen.
Der Sensor kann eingerichtet sein, um mindestens 70 %, beispielsweise mindestens 80 %; bevorzugt mindestens 90 %, besonders bevorzugt die gesamte zweite Detektorzeile zur Erzeugung der zweiten spektralen Verteilung zu nutzen. Beispielsweise kann der erste Messpunkt des Messobjekts direkt an den zweiten Messpunkt des Messobjekts angrenzen. Alternativ hierzu kann der erste Messpunkt des Messobjekts nicht an den zweiten Messpunkt des Messobjekts angrenzen.
Der Detektor kann beispielsweise weitere Detektorzeilen aufweisen, insbesondere neben der ersten Detektorzeile und/oder neben der zweiten Detektorzeile. Der Sensor kann eingerichtet sein, um aus von den mehreren Messpunkten des Messobjekts reflektiertem Licht je Messpunkt eine spektrale Verteilung zu erzeugen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, um mittels der spektralen Verteilungen Abstandswerte der mehreren Messpunkte zu einem Teils des Sensors zu erfassen.
Beispielsweise kann die optische Anordnung eingerichtet sein, um je Messpunkt mindestens 70 % der jeweiligen Detektorzeile zur Erzeugung der spektralen Verteilung zu nutzen.
Der Sensor kann beispielsweise eingerichtet sein, um je Messpunkt mindestens 70 %, beispielsweise mindestens 80 %; bevorzugt mindestens 90 % der ersten Detektorzeile, besonders bevorzugt der gesamten ersten Detektorzeile oder mindestens 70 %, beispielsweise mindestens 80 %; bevorzugt mindestens 90 % der zweiten Detektorzeile, besonders bevorzugt der gesamten zweiten Detektorzeile oder mindestens 70 %, beispielsweise mindestens 80 %; bevorzugt mindestens 90 % einer der weiteren Detektorzeilen, besonders bevorzugt einer gesamten weiteren Detektorzeile zur Erzeugung der jeweiligen spektralen Verteilung zu nutzen. Der Sensor kann eingerichtet sein, um je Messpunkt mindestens 70 %, beispielsweise mindestens 80 %; bevorzugt mindestens 90 % einer Detektorzeile, bevorzugt eine gesamte Detektorzeile zu nutzen, Die Detektorzeilen können die erste Detektorzeile und/oder die zweite Detektorzeile und/oder die weiteren Detektorzeilen umfassen.
Die mehreren Messpunkte können beispielsweise getrennt voneinander auf dem Messobjekt angeordnet sein. Beispielsweise können die mehreren Messpunkte des Messobjekts auf einem Raster, beispielsweise auf einer oder mehreren Linien, auf dem Messobjekt angeordnet sein. Alternativ hierzu können die mehreren Messpunkte des Messobjekts statistisch auf dem Messobjekt angeordnet sein.
Bevorzugt können die mehreren Messpunkte des Messobjekts dreidimensional auf dem Messobjekt angeordnet sein. Alternativ hierzu können die mehreren Messpunkte des Messobjekts zweidimensional oder eindimensional auf dem Messobjekt angeordnet sein.
Das Zuordnungselement kann eingerichtet sein, um von jedem Messpunkt des Messobjekts reflektiertes Licht eineindeutig einer der mehreren Detektorzeilen, beispielsweise der ersten Detektorzeile oder der zweiten Detektorzeile oder einer der weiteren Detektorzeilen, zuzuordnen.
Beispielsweise kann das Zuordnungselement eingerichtet sein, um von dem ersten Messpunkt des Messobjekts reflektiertes Licht der ersten Detektorzeile zuzuordnen und von dem zweiten Messpunkt des Messobjekts reflektiertes Licht der zweiten Detektorzeile zuzuordnen.
Das Zuordnungselement kann eingerichtet sein, um jeder Detektorzeile nur von dem Messobjekt reflektiertes Licht und jeweils genau von einem Messpunkt zuzuordnen. Eine Zuordnung, insbesondere eine eineindeutige Zuordnung, welche das Zuordnungselement ausführen kann, kann beispielsweise als mathematische Funktion beschrieben werden. Die eineindeutige Zuordnung kann beispielsweise als injektive Abbildung beschreiben werden. Insbesondere kann jeder Detektorzeile genau ein Messpunkt zugeordnet werden.
Die optische Anordnung kann beispielsweise einen Strahlteiler aufweisen. Der Beleuchtungsstrahlengang und der Abbildungsstrahlengang können zwischen dem Strahlteiler und dem Messobjekt einen gemeinsamen Strahlengang bilden. Das Zuordnungselement kann bevorzugt in dem gemeinsamen Strahlengang angeordnet sein. Das Zuordnungselement kann insbesondere derart in dem gemeinsamen Strahlengang angeordnet sein, dass sowohl Licht zu dem Messobjekt als auch Licht von dem Messobjekt das Zuordnungselement passiert.
Das Zuordnungselement kann beispielsweise eine eindimensionale Struktur aufweisen. Die eindimensionale Struktur kann beispielsweise auf dem Zuordnungselement in Ausbreitungsrichtung des reflektierten Lichts zu dem Detektor hinweisen. Die eindimensionale Struktur kann bevorzugt senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung des reflektierten Lichts angeordnet sein. Bei der eindimensionalen Struktur kann es sich beispielsweise um einen Spalt oder um eine Reihe von Elementen handeln. Die eindimensionale Struktur kann insbesondere eine Struktur sein, welche mindestens zweimal so lang wie breit ist. Die eindimensionale Struktur kann bevorzugt senkrecht zu der ersten Detektorzeile angeordnet sein. Weiterhin kann die eindimensionale Struktur parallel zu der Detektorfläche angeordnet sein. Beispielsweise kann die eindimensionale Struktur parallel zu einer Detektorspalte angeordnet sein.
Beispielsweise kann das Objektiv eingerichtet sein, um das Messobjekt auf das Zuordnungselement, insbesondere auf ein objektseitiges Ende des Zuordnungselements abzubilden. Das Objektiv kann bevorzugt beidseitig telezentrisch sein. Ein detektorseitiges Ende des Zuordnungselements kann auf eine Schlitzblende abgebildet sein.
Die eindimensionale Struktur kann ausgewählt sein aus einem Element der Gruppe aufweisend genau eine Reihe von detektorseitigen Faserenden, eine Schlitzblende und genau eine Reihe Pinholes. Bei der Reihe von detektorseitigen Faserenden kann es sich beispielsweise um Faserenden handeln, welche detektorseitig bzw. beleuchtungsseitig auf einer Geraden angeordnet sind. Bei der Reihe Pinholes kann es sich beispielsweise um eine Pinholelinie handeln. Die Öffnung der Schlitzblende kann beispielsweise variabel sein. Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung eingerichtet sein, um eine Öffnung der Schlitzblende zu steuern.
Das Zuordnungselement kann ausgewählt sein aus der Gruppe aufweisend ein Faserbündel mit genau einer Reihe von detektorseitigen Faserenden, eine Schlitzblende und eine Pinholeanordnung mit genau einer Reihe Pinholes. Beispielsweise können Faserenden des Faserbündels objektseitig statistisch angeordnet oder regulär angeordnet sein. Eine statistische Anordnung von objektseitigen Faserbündeln kann beispielsweise hinsichtlich einer Reduktion von Einflüssen durch Streulicht günstig sein, da sich hierdurch ein statistisch großer Abstand ergeben kann. Weiterhin kann eine statistische Anordnung von objektseitigen Faserbündeln eine Fertigung des Faserbündels vereinfachen und/oder kostengünstig sein.
Die Schlitzblende kann beispielsweise feststehend oder verschiebbar sein. Beispielsweise kann die Reihe Pinholes genauso viele Pinholes aufweisen wie der Detektor Detektorzeilen aufweist. Insbesondere kann der Detektor mehr Detektorzeilen aufweisen als die Reihe Pinholes Pinholes aufweist. Beispielsweise kann eine Reihe von detektorseitigen Faserenden weniger oder genauso viele Faserenden aufweisen wie der Detektor Detektorzeilen aufweist.
Beispielsweise kann eine erste Faser des Faserbündels von dem ersten Messpunkt der mehreren Messpunkte reflektiertes Licht eineindeutig der ersten Detektorzeile zuordnen. Eine zweite Faser des Faserbündels kann beispielsweise von dem zweiten Messpunkt der mehreren Messpunkte reflektiertes Licht eineindeutig der zweiten Detektorzeile zuordnen.
Beispielsweise kann ein erstes Pinhole der Reihe Pinholes von dem ersten Messpunkt der mehreren Messpunkte reflektiertes Licht eineindeutig der ersten Detektorzeile zuordnen. Ein zweites Pinhole der Reihe Pinholes kann beispielsweise von dem zweiten Messpunkt der mehreren Messpunkte reflektiertes Licht eineindeutig der zweiten Detektorzeile zuordnen.
Beispielsweise kann ein erster Bereich der Schlitzblende von dem ersten Messpunkt der mehreren Messpunkte reflektiertes Licht eineindeutig der ersten Detektorzeile zuordnen. Ein zweiter Bereich der Schlitzblende kann beispielsweise von dem zweiten Messpunkt der mehreren Messpunkte reflektiertes Licht eineindeutig der zweiten Detektorzeile zuordnen.
Bei Verwendung einer Schlitzblende als Zuordnungselement können die mehreren Messpunkte bevorzugt direkt aneinander anschließen. Beispielsweise kann der erste Messpunkt räumlich direkt an den zweiten Messpunkt anschließen. Alternativ hierzu kann zwischen den Messpunkten jeweils eine Lücke sein.
Beispielsweise kann der Sensor eingerichtet sein, um ohne eine relative Verschiebung zwischen dem Messobjekt und dem Sensor zu den mehreren Messpunkten des Messobjekts jeweils einen Abstandswert zu erfassen.
Insbesondere kann der Sensor eingerichtet sein, um ohne relative Verschiebung zwischen dem Messobjekt und dem Sensor mehrere statistisch angeordnete Messpunkte des Messobjekts zu erfassen. Beispielsweise kann der Sensor eingerichtet sein, um ohne eine relative Verschiebung zwischen dem Messobjekt und dem Sensor mehrere Messpunkte, welche sich nicht mittels einer Geraden verbinden lassen, zu erfassen. Beispielsweise kann der Sensor eingerichtet sein, um ohne eine relative Verschiebung zwischen dem Sensor und der Umwelt Messpunkte auf mehreren Messobjekten zu erfassen. Beispielsweise kann der Sensor eingerichtet sein, um eine gesamte Vermessung des Messobjekts während eines Taktes des Detektors zu erfassen. Alternativ hierzu kann der Sensor eingerichtet sein, um das Messobjekt ohne relative Verschiebung zwischen dem Messobjekt und dem Sensor abzuscannen.
Der Sensor kann beispielsweise mindestens ein Gehäuse aufweisen. Beispielsweise kann zumindest die optische Anordnung in dem Gehäuse angeordnet sein. Mit dem Ausdruck „ohne eine relative Verschiebung zwischen dem Messobjekt und dem Sensor“ kann insbesondere verstanden werden, dass keine relative Verschiebung zwischen dem Messobjekt und dem Gehäuse des Sensors durchgeführt wird. Der Sensor kann insbesondere eingerichtet sein, um ohne eine relative Verschiebung zwischen dem Messobjekt und dem Gehäuse des Sensors mehrere Messpunkte des Messobjekts zu erfassen. Insbesondere kann der Sensor derart eingerichtet sein, das von mehreren Messpunkten des Messobjekts reflektiertes Licht dieselben optischen Elemente durchläuft, insbesondere dasselbe Objektiv.
Der Sensor kann beispielsweise einen um eine Achse automatisiert drehbaren Spiegel aufweisen. Der automatisiert drehbare Spiegel kann beispielsweise mittels eines Motors verdrehbar sein, insbesondere mittels der Auswerte- und Steuereinrichtung. Eine automatisiert betätigbare Drehachse des Spiegels kann bevorzugt parallel zu der Detektorfläche angeordnet sein. Besonders bevorzugt kann die automatisiert betätigbare Drehachse parallel zu der eindimensionalen Struktur ausgerichtet sein. Der automatisiert drehbare Spiegel kann bevorzugt in dem gemeinsamen Strahlengang angeordnet sein. Beispielsweise kann der drehbare Spiegel zwischen zwei Linsen, beispielsweise zwischen zwei Linsen des Objektivs, angeordnet sein.
Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, um mittels des automatisiert drehbaren Spiegels die mehreren Messpunkte des Messobjekts abzutasten. Bei Verwendung eines Faserbündels können beispielsweise je nach Stellung des automatisiert drehbaren Spiegels andere Fasern oder eine andere Auswahl von Fasern verwendet werden. Der Sensor kann insbesondere eingerichtet sein, um mittels des automatisiert drehbaren Spiegels eine laterale Auflösung zu verbessern, insbesondere eine Auflösung in einer Ebene senkrecht zu dem Abstand zwischen dem Messobjekt und dem Sensor. Der automatisiert drehbare Spiegel kann insbesondere eingerichtet sein, um ein Bild der Schlitzblende oder Bilder der Pinholes auf dem Faserbündel oder auf dem Messobjekt zu verschieben.
Beispielsweise können mittels des Sensors zweidimensional angeordnete Messpunkte abgescannt werden, insbesondere mittels des automatisiert drehbaren Spiegels. Der automatisiert drehbare Spiegel kann insbesondere als Scanspiegel ausgestaltet sein. Hierdurch kann insbesondere eine Auflösung erhöht werden.
Die optische Anordnung kann mindestens zwei Linsen aufweisen. Der automatisiert drehbare Spiegel kann bevorzugt zwischen den zwei Linsen angeordnet sein. Beispielsweise kann der automatisiert drehbare Spiegel nahe bei oder an einer Fokusebene der beiden Spiegel angeordnet sein. die beiden Spiegel können beispielsweise ein Teleskop bilden.
Die optische Anordnung kann beispielsweise ein Faserbündel aufweisen. Das Faserbündel kann beispielsweise objektseitig statistisch angeordnete Enden aufweisen. Alternativ hierzu kann das Faserbündel objektseitig regelmäßig angeordnete Enden, beispielsweise in eindimensionalen oder zweidimensionalen Mustern angeordnete Enden, aufweisen. Beispielsweise kann das Faserbündel detektorseitig statistisch angeordnete Enden aufweisen. Alternativ hierzu kann das Faserbündel detektorseitig regelmäßig angeordnete Enden aufweisen, beispielsweise entsprechend eines eindimensionalen oder zweidimensionalen Musters. Eine Verwendung von Faserbündeln kann beispielsweise dahingehend vorteilhaft sein, dass eine Justierung nicht notwendig ist. Eine Zuordnung der objektseitigen Enden des Faserbündels zu den detektorseitigen Enden des Faserbündels kann mittels einmaliger Kalibration und/oder Ablegen der Kalibration in die Auswerte- und Steuereinrichtung erfolgen. Besonders bevorzugt kann eine Zuordnung zwischen den mehreren Messpunkten und den detektorseitigen Enden des Faserbündels mittels Kalibration erfolgen. Beispielsweise können Faserbündel der Firma Schott entsprechend des o.g. Internetlinks verwendet werden.
Eine Summe der Fasern des Faserbündels kann kleiner oder gleich der Anzahl der mehreren Detektorzeilen sein. Der Sensor kann eingerichtet sein, um zu zweidimensional angeordneten Messpunkten auf dem Messobjekt Abstandswerte zu erfassen. Beispielsweise können die zweidimensional angeordneten Messpunkte statistisch verteilt angeordnet sein, was beispielsweise kostengünstig sein kann. Alternativ hierzu können die zweidimensional angeordneten Messpunkte entsprechend eines regelmäßigen Rasters angeordnet sein, beispielsweise entsprechend eines Faserbündels mit objektseitig regelmäßig angeordneten Enden.
Der Sensor kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass jeweils eine Detektorzeile, vorzugsweise genau eine Detektorzeile, der mehreren Detektorzeilen zur Erfassung genau eines Abstandswerts verwendet wird.
Beispielsweise kann der Sensor zwischen der chromatischen Lichtquelle und dem Strahlteiler mindestens eine Linse aufweisen, beispielsweise um den Beleuchtungslichtstrahl zu kollimieren. Beispielsweise kann der Sensor zwischen der chromatischen Lichtquelle und dem Strahlteiler ein oder mehrere sphärische Linsen und/oder ein oder mehrere asphärische Linsen, beispielsweise mindestens eine Zylinderlinse, aufweisen, insbesondere zur Kollimation. Beispielsweise kann mittels einer Zylinderlinse eine eindimensionale Struktur des Zuordnungselements besonders effizient ausleuchtbar sein. Beispielsweise kann der Sensor zwischen der chromatischen Lichtquelle und dem Strahlteiler eine eindimensionale Linsenanordnung oder eine zweidimensionale Linsenanordnung aufweisen, insbesondere in einer Richtung parallel zu der eindimensionalen Struktur des Zuordnungselements, beispielsweise um den Beleuchtungslichtstrahl aufzuteilen und/oder in das Faserbündel einzukoppeln.
Das Faserbündel kann beispielsweise als Element zur Erfassung mehrerer Messpunkte ohne relative Verschiebung zwischen dem Sensor und dem Messobjekt ausgebildet sein. Zusätzlich kann das Faserbündel als Zuordnungselement ausgebildet sein. Bei einer Ausbildung des Faserbündels als Zuordnungselement kann eine Ausbildung der detektorseitigen Faserenden als eindimensionale Struktur günstig sein.
Bei dem Sensor kann es sich beispielsweise um einen farbkonfokalen Sensor mit hoher Auflösung in eine Messrichtung h handeln. Die Messrichtung h kann insbesondere in einer Richtung entlang des Abstandes zwischen dem ersten Messpunkt und dem Teil des Sensors liegen. Der Sensor kann eine Vermessung der Oberfläche des Messobjekts erlauben, ohne das Objektiv relativ zu dem Detektor oder relativ zu der chromatischen Lichtquelle zu bewegen. Weiterhin kann der Sensor einfach justierbar sein.
Beispielsweise kann die optische Anordnung derart eingerichtet sein, dass sich das Zuordnungselement, insbesondere die Schlitzblende und/oder die Reihe Pinholes, und/oder das objektseitige Ende des Faserbündels und/oder das detektorseitige Ende des Faserbündels an Fokussen das gemeinsamen Strahlengangs befinden, insbesondere an Fokussen für Licht, welches von dem ersten Messpunkt des Messobjekts reflektiert wird.
Das Koordinatenmessgerät kann beispielsweise einen Tastarm aufweisen. Weiterhin kann das Koordinatenmessgerät einen Messkopf aufweisen. Beispielsweise kann der Messkopf den Sensor aufweisen. Weiterhin kann das Koordinatenmessgerät eine Säule aufweisen. Beispielsweise kann das Koordinatenmessgerät eine Werkstückaufnahme sowie eine Basis aufweisen. Beispielsweise kann die Säule relativ zu dem Messobjekt bewegt werden. Alternativ hierzu kann das Messobjekt zu dem Messkopf bewegbar sein. Prinzipiell ist der Sensor bevorzugt derart ausgestaltet, dass eine Relativbewegung zwischen dem Messobjekt und dem Sensor nicht notwendig ist, um mehrere Abstandswerte zwischen dem Messobjekt und dem Sensor zu erfassen.
In dem Verfahren kann mindestens 70 %, beispielsweise mindestens 80 %; bevorzugt mindestens 90 %, besonders bevorzugt der gesamten ersten Detektorzeile zur Erzeugung der ersten spektralen Verteilung genutzt werden.
Bevorzugt können in dem Verfahren mehrere Abstandswerte ohne Relativbewegung zwischen Sensor und Messobjekt erfasst werden.
Der erfindungsgemäße Sensor, das erfindungsgemäße Koordinatenmessgerät sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts können zahlreiche Vorteile aufweisen. Beispielsweise kann ohne eine Relativbewegung zwischen dem Sensor und dem Messobjekt eine Oberfläche des Messobjekts vermessen werden. Dies kann mit Kostenersparnissen verbunden sein. Beispielsweise könnte auf einen Motor für eine Relativbewegung zwischen dem Messobjekt und dem Sensor, beispielsweise einen präzisen Schrittmotor, verzichtet werden. Beispielsweise könnte für eine Relativbewegung zwischen dem Sensor und dem Messobjekt lediglich ein kostengünstiger und/oder weniger präziser Motor Verwendung finden. Beispielsweise kann eine Auflösung hinsichtlich der Messwerte des ersten Abstandswerts verbessert werden, beispielsweise mittels einer Verwendung mindestens 70 %, beispielsweise mindestens 80 %; bevorzugt mindestens 90 %, besonders bevorzugt der gesamten ersten Detektorzeile zur Erfassung des ersten Abstandswerts. Weiterhin kann der Einsatz des Detektors effizient erfolgen, insbesondere hinsichtlich der Verwendung jeweils genau einer Detektorzeile zur Erfassung eines Abstandswerts. Beispielsweise kann der Sensor kostengünstig hergestellt werden, beispielsweise da der Detektor effizient betrieben werden kann und/oder da die Vorrichtung zur Erfassung mehrerer Abstandswerte nicht geregelt zu dem Messobjekt verschoben werden muss und/oder da der Sensor mit wenigen Komponenten aufgebaut sein kann, insbesondere durch Bildung des gemeinsamen Strahlengangs.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die 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 in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1A ein erstes Ausführungsbeispiel des neuen Sensors in einer schematischen Darstellung,
1 B eine schematische Darstellung eines Faserbündels aus dem Sensor aus 1A,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel des neuen Sensors in einer schematischen Darstellung,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel des neuen Sensors in einer schematischen Darstellung,
4 ein viertes Ausführungsbeispiel des neuen Sensors in einer schematischen Darstellung, und
5 ein Ausführungsbeispiel des neuen Koordinatenmessgerätes in einer Ansicht von schräg vorne.

Das in den 1A und 1B dargestellte Ausführungsbeispiel des neuen Sensors ist in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Bei dem Sensor 10 kann es sich insbesondere um einen farbkonfokalen Sensor handeln. Der Sensor 10 weist eine chromatische Lichtquelle 12, eine optische Anordnung 14 mit einem Zuordnungselement 34, eine Spektrometeranordnung 16 und eine Auswerte- und Steuereinrichtung 18 auf. Die Spektrometeranordnung 16 weist einen Detektor 20 mit mehreren Detektorzeilen 36 auf. Die optische Anordnung 14 weist einen Beleuchtungsstrahlengang 24 und einen Abbildungsstrahlengang 26 auf. Die chromatische Lichtquelle 12 ist eingerichtet, um einen Beleuchtungslichtstrahl 28 auszusenden. Der Beleuchtungsstrahlengang 24 ist eingerichtet, um dem Beleuchtungslichtstrahl 28 eine chromatische Längsaberration aufzuprägen und um das Messobjekt 30 mit dem Beleuchtungslichtstrahl 28 zu beaufschlagen. Der Abbildungsstrahlengang 26 ist eingerichtet, um von dem Messobjekt 30 reflektiertes Licht zu der Spektrometeranordnung 16 zu führen. Der Sensor 10 ist eingerichtet, um aus von mehreren Messpunkten 38 des Messobjekts 30 reflektiertem Licht je Messpunkt eine spektrale Verteilung zu erzeugen und mittels der Auswerte- und Steuereinrichtung 18 aus der spektralen Verteilung einen Abstandswert des jeweiligen Messpunkts 32 zu einem Teil des Sensors 10 zu erfassen.
Das Zuordnungselement 34 ist eingerichtet, um von jedem Messpunkt 32 der mehreren Messpunkte 38 des Messobjekts 30 reflektiertes Licht eineindeutig einer der mehreren Detektorzeilen 36 zuzuordnen.
Die mehreren Detektorzeilen 36 können eine erste Detektorzeile 22 aufweisen. Die mehreren Messpunkte 38 können einen ersten Messpunkt 32 aufweisen. Der erste Messpunkt 32 kann der ersten Detektorzeile 22 zugeordnet sein, beispielsweise mittels des Zuordnungselements 34. Der Sensor 10 kann eingerichtet sein, um mindestens 70 %, beispielsweise mindestens 80 %; bevorzugt mindestens 90 %, besonders bevorzugt die gesamte erste Detektorzeile zur Erzeugung einer ersten spektralen Verteilung zu nutzen. Beispielsweise kann der Detektor 20 ein zweidimensionaler Bildsensor sein.
Eine Raumrichtung des zweidimensionalen Bildsensors kann für die Spektrometeranordnung 16 verwendet werden, insbesondere derart, dass eine maximale Pixelzahl für die spektrometrische Auflösung zur Verfügung steht. Beispielsweise kann der Detektor 20 1080 Pixel in x-Richtung und 1920 Pixel in y-Richtung aufweisen, wobei die x-Richtung und die y-Richtung orthogonale Raumrichtungen sind. Die x-Richtung kann beispielsweise parallel oder senkrecht zu der ersten Detektorzeile ausgerichtet sein. Die y-Richtung kann beispielsweise parallel oder senkrecht zu der ersten Detektorzeile ausgerichtet sein. Die y-Richtung kann senkrecht zu der x-Richtung ausgerichtet sein. Hierdurch können je nach Orientierung des Detektors 20 1080 Pixel oder sogar 1920 Pixel für die Auflösung des Spektrums zur Verfügung stehen.
Der Sensor 10 kann beispielsweise eine gesamte Vermessung einer Oberfläche ermöglichen, insbesondere mittels einer einzigen Messung. Vorteilhafterweise kann es nicht erforderlich sein, das Messobjekt 30 relativ zu dem Sensor 10 zu bewegen. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Sensor 10 einfach justierbar ausgestaltet sein. Insbesondere kann es nicht notwendig ist, optische Strukturen des Beleuchtungsstrahlengangs 24, beispielsweise Mikrolinsen, relativ zu konfokalen Öffnungen zu justieren.
Der Detektor 20 weist mehrere Detektorzeilen 36 auf, insbesondere neben der ersten Detektorzeile. Beispielsweise kann der Detektor 20 1080 Detektorzeilen oder 1920 Detektorzeilen aufweisen. Beispielsweise kann der Detektor 20 100 bis 10000 Detektorzeilen, vorzugsweise 500 bis 5000 Detektorzeilen, besonders bevorzugt 1000 bis 2000 Detektorzeilen aufweisen. Beispielsweise kann der Detektor 20 100 bis 10000 Detektorspalten, vorzugsweise 500 bis 5000 Detektorspalten, besonders bevorzugt 1000 bis 2000 Detektorspalten aufweisen.
Der Sensor 10 kann eingerichtet sein, um aus von mehreren Messpunkten 38 des Messobjekts 30 reflektiertem Licht je Messpunkt 38 eine spektrale Verteilung zu erzeugen, wobei die optische Anordnung 14 eingerichtet sein kann, um je Messpunkt 38 mindestens 70 %, beispielsweise mindestens 80 %; bevorzugt mindestens 90 % einer Detektorzeile, besonders bevorzugt eine gesamte Detektorzeile zur Erzeugung einer spektralen Verteilung zu nutzen.
Das Zuordnungselement 34 kann eingerichtet sein, um von jedem Messpunkt 38 des Messobjekts 30 reflektiertes Licht eineindeutig einer Detektorzeile zuzuordnen. Beispielhaft zeigt 1 B ein Zuordnungselement 34, welches insbesondere in dem Sensor 10 nach 1A eingesetzt sein kann.
Die optische Anordnung 14 kann einen Strahlteiler 40 aufweisen. Der Beleuchtungsstrahlengang 24 und der Abbildungsstrahlengang 26 können zwischen dem Strahlteiler 40 und dem Messobjekt 30 einen gemeinsamen Strahlengang 42 bilden. Die optische Anordnung 14 kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass die chromatische Längsaberration dem Beleuchtungslichtstrahl 24 vorzugsweise im Wesentlichen innerhalb des gemeinsamen Strahlengangs 42 aufgeprägt wird, insbesondere von einer Optik zwischen dem Strahlteiler 40 und dem Messobjekt 30 oder zwischen dem Zuordnungselement 34 und dem Messobjekt 30. Das Zuordnungselement 34 kann in dem gemeinsamen Strahlengang 42 angeordnet sein.
Das Zuordnungselement 34 kann eine eindimensionale Struktur 44 aufweisen. Die eindimensionale Struktur 44 ist in dem Ausführungsbeispiel nach 1A und eine Reihe von detektorseitigen Faserenden 46. Bevorzugt kann das Zuordnungselement 34 ein Faserbündel 58 mit genau einer Reihe von detektorseitigen Faserenden 52 sein, insbesondere wie in 1 B dargestellt. Bei den in 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen ist die eindimensionale Struktur 44 eine Schlitzblende 48. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die eindimensionale Struktur 44 eine Reihe Pinholes 50.
Der Sensor 10 kann insbesondere eingerichtet sein, um ohne eine relative Verschiebung zwischen dem Messobjekt 30 und dem Sensor 10 mehrere Messpunkte 38 des Messobjekts 30 zu erfassen. Die Summe der Fasern des Faserbündels 58 nach 1A kann kleiner oder gleich der Anzahl der Detektorzeilen sein. Das in 1 B gezeigte Faserbündel 58 zeigt beispielhaft 7 Fasern. Der Sensor 10 kann eingerichtet sein, um zu zweidimensional angeordneten Messpunkten 38 an dem Messobjekt 30 Abstandswerte zu erfassen. Die mehreren Messpunkte 38 des Messobjekts 30 können bevorzugt dreidimensional auf dem Messobjekt 30 angeordnet sein.
Das Faserbündel 58 kann beleuchtungsseitig bzw. detektorseitig Faserenden aufweisen, welche auf einer Geraden angeordnet sein können. Bevorzugt darf eine Anzahl der Fasern die Anzahl der Pixel des Detektors 20 in einer Raumrichtung nicht übersteigen. Hierdurch können alle Pixel des Detektors 20 in einer Raumrichtung zur Auflösung des Spektrums zur Verfügung stehen, insbesondere um eine hohe Messgenauigkeit in Richtung h erreichen zu können. Das Koordinatensystem, aufweisend die Richtungen h, x und y, ist mit dem Bezugszeichen 82 gekennzeichnet. Der Ursprung des Koordinatensystems 82 kann beispielsweise an dem ersten Messpunkt oder an einem Teil des Sensors oder, wie exemplarisch in 1A gezeigt, frei im Raum angeordnet sein. Objektseitig können die Fasern des Faserbündels 58 in einem zweidimensionalen Muster angeordnet sein, insbesondere um die gesamte Oberfläche des Messobjekts 30 zu vermessen ohne dass der Sensor 10 relativ zu dem Messobjekt 30 bewegt werden müsste. Beispielsweise kann das Faserbündel 58 sowohl eine Funktion eines Spotmusters, beispielsweise zur Erfassung von zweidimensional angeordneten Messpunkten 38, als auch eine Funktion von Pinholes, beispielsweise als Zuordnungselement 34, aufweisen, insbesondere derart, dass keine Justage notwendig ist.
Bei dem in 1B gezeigten Faserbündel 58 können die Faserenden objektseitig in einem regelmäßigen Raster angeordnet sein, wobei eine Zuordnung zu den detektorseitigen Faserenden streng regelmäßig sein kann. Alternativ hierzu kann es auch möglich sein, die Faserenden objektseitig statistisch anzuordnen, wodurch das Faserbündel 58 beispielsweise deutlich kostengünstiger hergestellt werden könnte. Beispielsweise kann mittels einmaliger Kalibration eine Zuordnung zwischen detektorseitigen und objektseitigen Faserenden erfolgen. Beispielsweise kann das Faserbündel 58 auf einer Seite, bevorzugt auf der zu der chromatischen Lichtquelle 12 und/oder zu dem Detektor 20 hinweisenden Seite flach ausgebildet sein. Bei dem Faserbündel 58 kann es sich beispielsweise um ein Faserbündel der Fa. Schott, wie oben beschrieben, handeln. Die objektseitigen Enden des Faserbündels 58 nach 1 B können beispielsweise in einem Zeilen oder Spalten aufweisenden Muster angeordnet sein. Alternativ hierzu könnten die objektseitigen Enden des Faserbündels 58 auch in Zeilen und Spalten oder in einem anderen regelmäßigen oder unregelmäßigen Muster angeordnet sein.
Die chromatische Lichtquelle 12 kann beispielsweise in einer optischen Achse mit dem Strahlteiler 40 und/oder mit dem Zuordnungselement 34 und/oder mit einer optischen Baugruppe des Objektivs 74 und/oder mit dem Messobjekt 30 angeordnet sein. Die optische Baugruppe kann beispielsweise eine Linse 72 oder mehrere Linsen und/oder ein oder mehrere Spiegel und/oder ein oder mehrere diffraktive optische Elemente aufweisen. Prinzipiell kann zumindest ein Teil der genannten Elemente außerhalb der optischen Achse angeordnet sein, beispielsweise mittels einem oder mehrerer Umlenkspiegel, beispielsweise um den Sensor 10 hinsichtlich einer Bauraumproblematik zu optimieren.
Beispielsweise kann das Objektiv 74 genau eine Linse 72 aufweisen, wie in 1A dargestellt. Alternativ hierzu kann das Objektiv 74 mehrere Linsen 72 aufweisen, wie beispielsweise in den Ausführungsbeispielen der 2 bis 4 dargestellt. Beispielsweise kann die Linse 72 keine chromatische Korrektur aufweisen, insbesondere um die Aufprägung der chromatischen Längsaberration auf dem Beleuchtungslichtstrahl 28 zu gewährleisten.
Das Objektiv 74 kann eingerichtet sein, um das Messobjekt 30 zu beleuchten, insbesondere um den Beleuchtungslichtstrahl 28 auf das Messobjekt 30 zu fokussieren. Zusätzlich kann das Objektiv 74 eingerichtet sein, um dem Beleuchtungslichtstrahl 28 die chromatische Längsaberration aufzuprägen und/oder um den Beleuchtungslichtstrahl 28 hinsichtlich eines Strahldurchmessers zu präparieren. Das Objektiv 74 kann mindestens einen Spiegel aufweisen, beispielsweise um den Sensor 10 hinsichtlich einer Bauraumproblematik zu optimieren. Bevorzugt kann das Zuordnungselement 34 zwischen dem Objektiv 74 und dem Strahlteiler 40 angeordnet sein. Das Objektiv 74 kann bevorzugt direkt vor dem Messobjekt 30 angeordnet sein.
Der Teil des Abbildungsstrahlengangs 26, welcher separat von dem Beleuchtungsstrahlengang 24 ausgestaltet ist, kann insbesondere mindestens eine Linse 72, bevorzugt zwei Linsen 72, und ein Prisma 76 aufweisen. Die Linsen 72 können insbesondere eingerichtet sein, um den Abbildungsstrahlengang 26 auf dem Detektor 20 zu fokussieren. Das Prisma 76 kann insbesondere eingerichtet sein, um die von dem Messobjekt 30 reflektierten Strahlen entsprechend der Wellenlänge oder der Frequenz des Lichts räumlich aufzuspalten, bevorzugt derart, dass mindestens 70 %, beispielsweise mindestens 80 %; bevorzugt mindestens 90 %, besonders bevorzugt die gesamte erste Detektorzeile zur Erzeugung der ersten spektralen Verteilung genutzt werden kann. Das Prisma 76 kann bevorzugt zwischen dem Strahlteiler 40 und dem Detektor 20 angeordnet sein. Insbesondere der Teil des Abbildungsstrahlengangs 26, welcher separat von dem Beleuchtungsstrahlengang 24 ausgestaltet ist, kann bei den in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgestaltet sein.
Zwischen der chromatischen Lichtquelle 12 und dem Strahlteiler 40 kann mindestens eine Linse 72 angeordnet sein. Bei der Linse 72 kann es sich beispielsweise um eine Linse 72 handeln, welche ausgestaltet ist, um das Licht der chromatischen Lichtquelle 12 zu kollimieren. Bei der Linse 72 direkt an der chromatischen Lichtquelle 12 kann es sich beispielsweise um eine Kollimationslinse handeln. Alternativ oder zusätzlich kann zwischen der chromatischen Lichtquelle 12 und dem Strahlteiler 40 eine eindimensionale Anordnung von Linsen 78 angeordnet sein. Ein Bereich zwischen der chromatischen Lichtquelle 12 und dem Strahlteiler 40 kann in den Ausführungsbeispielen der 2 bis 4 beispielsweise wie in dem Ausführungsbeispiel nach 1A ausgestaltet sein.
Zwischen der chromatischen Lichtquelle 12 und dem Zuordnungselement 34 kann beispielsweise eine Vorrichtung angeordnet sein, welche eingerichtet ist, um den Beleuchtungslichtstrahl 28 in das Faserbündel 58 einzukoppeln. Beispielsweise kann zwischen der chromatischen Lichtquelle 12, insbesondere zwischen der Kollimationslinse und dem Zuordnungselement 34, bevorzugt zwischen dem Zuordnungselement 34 und dem Strahlteiler 40, eine Linsenanordnung 78 angeordnet sein.
Bei der Linsenanordnung 78 kann es sich beispielsweise um einzelne Zylinderlinsen, vorzugsweise um einen Zylinderlinsen-Array, handeln, insbesondere einen Mikro-Zylinderlinsen-Array. Beispielsweise kann die Linsenanordnung 78 auch eine Kombination von einzelnen Zylinderlinsen mit einem Zylinderlinsen-Array aufweisen. Hierdurch kann beispielsweise ein Muster einzelner Fokusse generiert werden, insbesondere um den Beleuchtungslichtstrahl 28 aufzuteilen und/oder in das Faserbündel 58 einzukoppeln. Bevorzugt kann es sich bei der Linsenanordnung 78 um eine linienförmige Anordnung von Zylinderlinsen handeln. Die Linie Zylinderlinsen kann insbesondere parallel zu der eindimensionalen Struktur 44 des Zuordnungselements 34 angeordnet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann zwischen dem Strahlteiler 40 und der chromatischen Lichtquelle 12 mindestens eine Schlitzblende 48 angeordnet sein. Beispielsweise kann zwischen dem Zuordnungselement 34 und dem Objektiv 74 mindestens ein Strahlteiler 40 angeordnet sein, beispielsweise um Licht für eine Weißbildkamera auszukoppeln. Zwischen dem Objektiv 74 und dem Messobjekt 30 kann beispielsweise mindestens ein Umlenkspiegel angeordnet sein, beispielsweise zur Überlappung mit einem Lichtstrahl einer Lichtquelle für eine Weißbildaufnahme.
Beispielsweise kann das Zuordnungselement 34 eine konfokale Öffnung für den Beleuchtungsstrahlengang 24 und den Abbildungsstrahlengang 26 darstellen. Insbesondere kann das Zuordnungselement 34 das erste Element hinter dem Strahlteiler 40 sein. Bevorzugt kann das Faserbündel 58 objektseitig andere Faserenden aufweisen, als detektor- bzw. beleuchtungsseitig, insbesondere hinsichtlich eines Musters einer Anordnung.
Der Beleuchtungsstrahlengang 24 des Sensors 10 nach 1A kann beispielsweise folgende Elemente aufweisen: die chromatische Lichtquelle 12, eine Linse 72, die Linsenanordnung 78, den Strahlteiler 40, das Faserbündel 58 als Zuordnungselement 34, das Objektiv 74, umfassend insbesondere eine Linse 72. Die genannten Elemente können beispielsweise in Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls 28 in der angegebenen Reihenfolge angeordnet sein. Prinzipiell können zwischen den genannten Elementen weitere Elemente angeordnet sein, beispielsweise weitere Spiegel oder weitere Linsen 72.
Das in 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel des Sensors 10 kann prinzipiell wie das in den 1A und 1B dargestellte Ausführungsbeispiel ausgestaltet sein. Gegenüber dem in den 1A und 1B dargestellten Ausführungsbeispiel kann das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel dahingehend verbessert sein, dass eine höhere Auflösung in x-Richtung und/oder in y-Richtung möglich sein kann. Hierzu kann insbesondere das Faserbündel 58 sowohl objektseitig als auch detektorseitig eine zweidimensionale Verteilung aufweisen. Die Faserenden des Faserbündels 58 können hierbei eine reguläre Anordnung aufweisen oder statistisch angeordnet sein. Beispielsweise können die Faserenden eine Anordnung wie auf Seite 9 der Broschüre der Firma Schott auf der Internetseite https://www.schott.com/d/lightingimaging/aa1e5cc6-e8b7-455f-9b43-c7ead0552c3b/1.0/industrial_fiber_optic_components_e_0904.pdf (Download am 18.05.2018) aufweisen. Beispielsweise können die Faserenden detektorseitig und/oder objektseitig willkürlich oder clusterartig oder konzentrisch oder semizirkular oder linear oder segmentiert angeordnet sein, insbesondere wie in der oben beschriebenen Broschüre der Firma Schott. Die Faserenden können insbesondere innerhalb eines zylinderförmigen Mantels angeordnet sein. Jede Faser kann zusätzlich bevorzugt einen Mantel aufweisen.
Besonders bevorzugt können die Faserenden des Faserbündels 58 auch an beiden Enden des Faserbündels 58 statistisch angeordnet sein, beispielsweise um eine kostengünstige Herstellung des Faserbündels 58 zu ermöglichen. Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel weist ein Objektiv 74 umfassend zwei Linsen 72 auf, insbesondere um das Messobjekt 30 auf das objektseitige Ende des Faserbündels 58 abzubilden.
Das Objektiv 74 kann bevorzugt beidseitig telezentrisch sein. Das in 2 dargestellte Objektiv 74 weist eine chromatische Längsaberration auf. Das detektorseitige Ende des Faserbündels 58 kann auf eine feststehende Schlitzblende 48 abgebildet sein. Die Schlitzblende 48 kann bevorzugt als Zuordnungselement 34 ausgestaltet sein.
Die in den Ausführungsbeispielen der 2 bis 4 dargestellten Sensoren 10 können insbesondere einen um eine Achse 54 automatisiert drehbaren Spiegel 56 aufweisen, wobei die Auswerte- und Steuereinrichtung 18 eingerichtet sein kann, um mittels des drehbaren Spiegels 56 die mehreren Messpunkte 38 des Messobjekts 30 abzutasten.
Die optische Anordnung 14 kann beispielsweise mindestens zwei Linsen 72 aufweisen. Der automatisiert drehbare Spiegel 56 kann beispielsweise zwischen zwei Linsen 72 angeordnet sein, wobei die zwei Linsen 72 beispielsweise zwischen dem Strahlteiler 40 und dem Messobjekt 30 angeordnet sein können.
Als Element zur Erfassung mehrerer Abstandswerte kann das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel ein Faserbündel 58 aufweisen. Je nach Stellung des drehbaren Spiegels 56, welcher als Scanspiegel ausgestaltet ist, kann das Bild der Schlitzblende 80 auf den detektorseitigen Enden der Faserbündeln 58 verschoben werden. Die Schlitzblende 48 kann, insbesondere in Richtung der Lichtausbreitung des Beleuchtungsstrahls, direkt hinter dem Strahlteiler 40 angeordnet sein. Die Schlitzblende 48 kann bevorzugt parallel zu der Achse 54 des drehbaren Spiegels 56, insbesondere der automatisiert betätigbare Drehachse, ausgerichtet sein. Die automatisiert betätigbare Drehachse des drehbaren Spiegels 56 steht in den 2 bis 4 senkrecht zu der Zeichenebene.
Der in 2 dargestellte Aufbau kann beispielsweise eine hohe Messgenauigkeit in Richtung h gewährleisten, insbesondere da eine gesamte Ausdehnung des Detektors 20 zur Erfassung des Spektrums genutzt werden kann. Da je nach Stellung des drehbaren Spiegels 56 andere Fasern verwendet werden können, gestattet der Aufbau eine deutlich höhere Auflösung auch in x-Richtung und/oder y-Richtung. Eine statistische Anordnung der Fasern in dem Faserbündel 58 kann grundsätzlich den Vorteil haben, Streulicht zu reduzieren, da jeweils die Fasern benutzt werden, die objektseitig im statistischen Mittel einen relativ großen Abstand zueinander aufweisen. Das in 2 dargestellte Objektiv 74 kann vorzugsweise zwei Linsen 72 aufweisen. Der drehbare Spiegel 56 kann bevorzugt in dem gemeinsamen Strahlgang 42 angeordnet sein, beispielsweise zwischen zwei Linsen 72, insbesondere zwischen der Schlitzblende 48 und dem Faserbündel 58. Bevorzugt kann die Schlitzblende zwischen dem Strahlteiler 40 und dem drehbaren Spiegel 56 angeordnet sein.
Ein Abstand zwischen der Schlitzblende 48 und der darauffolgenden Linse 72 in Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls 28 kann bevorzugt ungefähr der Brennweite dieser Linse 72 entsprechen, beispielsweise mit einer beidseitigen Abweichung entsprechend der Dicke der Linse 72 oder einer Linsengruppe. Ein Abstand zwischen der Linse 72 hinter der Schlitzblende 48 in Richtung der Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls 28 und dem drehbaren Spiegel 56 kann beispielsweise ungefähr der Brennweite dieser Linse 72 entsprechen, beispielsweise mit einer beidseitigen Abweichung entsprechend der Dicke der Linse 72 oder einer Linsengruppe. Ein Abstand zwischen dem drehbaren Spiegel 56 und einer darauffolgenden Linse 72 in Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls 28 kann beispielsweise ungefähr der Brennweite dieser Linse 72 betragen, beispielsweise mit einer beidseitigen Abweichung entsprechend der Dicke der Linse 72 oder einer Linsengruppe. Ein Abstand zwischen der letzten Linse 72 in Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls 28 vor den detektorseitigen Enden des Faserbündels 58 und den detektorseitigen Enden des Faserbündels 58 kann beispielsweise ungefähr der Brennweite dieser Linse 72 entsprechen, beispielsweise mit einer beidseitigen Abweichung entsprechend der Dicke der Linse 72 oder einer Linsengruppe. Ein Abstand zwischen den objektseitigen Enden des Faserbündels 58 und einer Linse 72 des Objektivs 74 kann beispielsweise ungefähr der Brennweite der Linse 72 des Objektivs 74, insbesondere einer am nächsten an dem Faserbündel 58 angeordneten Linse 72 des Objektivs 74, entsprechen, beispielsweise mit einer beidseitigen Abweichung entsprechend der Dicke der Linse 72 oder einer Linsengruppe.
Der Beleuchtungsstrahlengang 24 kann beispielsweise folgende Elemente aufweisen: die chromatische Lichtquelle 12, den Strahlteiler 40, die Schlitzblende 48, eine Linse 72, den drehbaren Spiegel 56, eine Linse 72, die Schlitzblende 48, das Objektiv 74, umfassend beispielsweise zwei Linsen 72. Die genannten Elemente können beispielsweise in Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls 28 in der angegebenen Reihenfolge angeordnet sein. Beispielsweise kann der Beleuchtungslichtstrahl 28 weitere Elemente, beispielsweise Spiegel, aufweisen, beispielsweise um eine Optimierung hinsichtlich eines Bauraumproblems zu ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich kann der Beleuchtungsstrahlengang 24 beispielsweise weitere Linsen 72 aufweisen, insbesondere zur Anpassung von Strahldurchmessern und/oder der Lage von Hauptebenen und/oder der erforderlichen chromatischen Längsaberration.
Der Abbildungsstrahlengang 26 kann beispielsweise folgende Elemente aufweisen: das Objektiv 74, umfassend insbesondere zwei Linsen 72, das Faserbündel 58, eine Linse 72, den drehbaren Spiegel 56, eine Linse 72, die Schlitzblende 48, den Strahlteiler 40, eine Linse 72, das Prisma 76, eine Linse 72 und den Detektor 20. Die genannten Elemente können insbesondere in der genannten Reihenfolge in Ausbreitungsrichtung eines von dem Messobjekt 30 reflektierten Lichtstrahls angeordnet sein. Zusätzlich kann der Abbildungsstrahlengang 26 weitere Elemente aufweisen, beispielsweise weitere Spiegel und/oder weitere Linsen 72 und/oder weitere Faserbündel 58 und/oder weitere Schlitzblenden 48 und/oder weitere Prismen und/oder Polarisatoren und/oder Filter und/oder Blenden und/oder optische Gitter.
Das Bild der Schlitzblende 80 auf dem detektorseitigen Ende des Faserbündels 58 ist mit dem Bezugszeichen 80 gekennzeichnet.
Das in 3 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors 10 kann beispielsweise wie das zweite Ausführungsbeispiel nach 2 ausgestaltet sein. Im Unterschied zu dem zweiten Ausführungsbeispiel weist das dritte Ausführungsbeispiel kein Faserbündel 58 auf. Als konfokale Öffnung kann in diesem dritten Ausführungsbeispiel die Schlitzblende 48 dienen, welche mittels des drehbaren Spiegels 56 auf das Messobjekt 30 abgebildet werden kann, insbesondere auf verschiedene Positionen des Messobjekts 30.
Die Schlitzblende 48 kann bevorzugt parallel zu der Achse 54, insbesondere zu der Drehachse, des drehbaren Spiegels 56 ausgerichtet sein. Ein Verzicht auf das Faserbündel 58 kann beispielsweise eine Auflösung in x-Richtung und/oder in y-Richtung, also in einer Ebene senkrecht zu h, erhöhen. Durch einen Verzicht auf das Faserbündel 58 kann das Ausführungsbeispiel besonders kostengünstig sein.
Beispielsweise kann der Sensor 10 derart ausgestaltet sein, dass das Faserbündel 58 austauschbar ist, um beispielsweise den Sensor 10 ohne Faserbündel 58 oder, je nach Messsituation, mit unterschiedlichen Faserbündeln 58 zu betreiben. Bei Sensoren 10 aufweisend Linsen 72 direkt vor dem drehbaren Spiegel 56 oder direkt nach dem drehbaren Spiegel 56, welche eingerichtet sind, um eine chromatische Längsaberration aufzuprägen, können beispielsweise die beiden letzten Linsen vor dem Messobjekt 30 entfallen. Eine chromatische Längsaberration kann dann mittels der Linsen 72 direkt vor und direkt nach dem drehbaren Spiegel 56 auf den Beleuchtungslichtstrahl 28 aufgeprägt werden.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sensors 10, bei welchem im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel nach 3 die letzten beiden Linsen entfallen. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach 3 weist das Ausführungsbeispiel von 4 anstelle einer Schlitzblende 48 eine Reihe Pinholes 50 als Zuordnungselement 34 auf. Ansonsten kann das Ausführungsbeispiel nach 4 wie das Ausführungsbeispiel nach 3 ausgestaltet sein.
Der optische Aufbau des vierten Ausführungsbeispiels ist gegenüber dem dritten Ausführungsbeispiel insbesondere vereinfacht. Wie die Schlitzblende 48 kann auch die Reihe Pinholes 50 in einem Brennpunkt eines optischen Elements, beispielsweise einer Linse 72, angeordnet sein. Der drehbare Spiegel 56 kann kollimierte Lichtstrahlen von der Reihe Pinholes 50 in Richtung Objektiv 74 ablenken. Das Objektiv 74 kann hierbei durch zwei Linsen 72 gebildet sein, die vor und nach dem drehbaren Spiegel 56 angeordnet sind. Der drehbare Spiegel 56 steht in der Brennebene der objektseitigen Linse 72 oder eines objektseitigen Linsenelements, sodass der Abbildungsstrahlengang 26 und/oder der Beleuchtungsstrahlengang 24 telezentrisch ist. Die Reihe Pinholes 50 werden bevorzugt auf das Messobjekt 30 abgebildet. Dieses vierte Ausführungsbeispiel besitzt vorzugsweise einen besonders einfachen optischen Aufbau, welcher beispielsweise besonders kostengünstig sein kann.
Alle gezeigten Ausführungsbeispiele können objektseitig einen telezentrischen Strahlengang, insbesondere einen telezentrischen Beleuchtungsstrahlengang 24, aufweisen. Unter einem telezentrischen Strahlengang wird ein Strahlengang verstanden, bei welchem die Hauptstrahlen stets parallel zu einer optischen Achse verlaufen. Dies kann von Vorteil sein, da bei einem telezentrischen Strahlengang bei einer Relativbewegung zwischen dem Messobjekt 30 und dem Sensor 10 in Richtung h die gleiche Detektorzeile 36 zur Vermessung eines Messpunkts 38 verwendet werden kann. Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Sensoren 10 verwenden als Spektrometer ein Prisma. Alternativ hierzu können auch andere Spektrometertypen verwendet werden. Beispielsweise kann anstelle des Prismas 76 ein optisches Gitter oder andere diffraktive Elemente verwendet werden.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Koordinatenmessgeräts 60. Das Koordinatenmessgerät 60 kann beispielsweise einen Tastarm 62 aufweisen. Weiterhin kann das Koordinatenmessgerät 60 einen Messkopf 64 aufweisen. Beispielsweise kann der Messkopf 64 den erfindungsgemäßen Sensor 10 aufweisen. Weiterhin kann das Koordinatenmessgerät 60 eine Säule 66 aufweisen. Beispielsweise kann das Koordinatenmessgerät 60 eine Werkstückaufnahme 68 sowie eine Basis 70 aufweisen. Beispielsweise kann die Säule 66 relativ zu dem in 5 nicht gezeigten Messobjekt bewegt werden. Alternativ hierzu kann das Messobjekt 30 zu dem Messkopf 64 bewegbar sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8477320 B2 [0004, 0014]
WO 2014/023344 [0005]
DE 10321885 A1 [0006, 0015]
DE 102007019267 A1 [0007, 0013]
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WO 2014/076649 A1 [0009]
WO 2014/0233443 A1 [0010]
EP 1398597 A1 [0010]

Claims

Sensor zur Bestimmung von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts (30), wobei der Sensor (10) eine chromatische Lichtquelle (12), eine optische Anordnung (14) mit einem Zuordnungselement (34), eine Spektrometeranordnung (16) und eine Auswerte- und Steuereinrichtung (18) aufweist, wobei die Spektrometeranordnung (16) einen Detektor (20) mit mehreren Detektorzeilen (36) aufweist, wobei die optische Anordnung (14) einen Beleuchtungsstrahlengang (24) und einen Abbildungsstrahlengang (26) aufweist, wobei die chromatische Lichtquelle (12) eingerichtet ist, um einen Beleuchtungslichtstrahl (28) auszusenden, wobei der Beleuchtungsstrahlengang (24) eingerichtet ist, um dem Beleuchtungslichtstrahl (28) eine chromatische Längsaberration aufzuprägen und um das Messobjekt (30) mit dem Beleuchtungslichtstrahl (28) zu beaufschlagen, wobei der Abbildungsstrahlengang (26) eingerichtet ist, um von dem Messobjekt (30) reflektiertes Licht zu der Spektrometeranordnung (16) zu führen, wobei der Sensor (10) eingerichtet ist, um aus von mehreren Messpunkten (38) des Messobjekts (30) reflektiertem Licht je Messpunkt (32) eine spektrale Verteilung zu erzeugen und mittels der Auswerte- und Steuereinrichtung (18) aus der spektralen Verteilung einen Abstandswert des jeweiligen Messpunkts (32) zu einem Teil des Sensors (10) zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuordnungselement (34) eingerichtet ist, um von jedem Messpunkt (32) der mehreren Messpunkte (38) des Messobjekts (30) reflektiertes Licht eineindeutig einer der mehreren Detektorzeilen (36) zuzuordnen.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die mehreren Messpunkte (38) des Messobjekts (30) dreidimensional auf dem Messobjekt (30) angeordnet sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Sensor (10) eingerichtet ist, um ohne eine relative Verschiebung zwischen dem Messobjekt (30) und dem Sensor zu den mehreren Messpunkten (38) des Messobjekts (30) jeweils einen Abstandswert (10) zu erfassen.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sensor (10) einen um eine Achse (54) automatisiert drehbaren Spiegel (56) aufweist, wobei die Auswerte- und Steuereinrichtung (18) eingerichtet ist, um mittels des automatisiert drehbaren Spiegels (56) die mehreren Messpunkte (38) des Messobjekts (30) abzutasten.
Sensor nach Anspruch 4, wobei die optische Anordnung (14) zwei Linsen aufweist, wobei der automatisiert drehbare Spiegel (56) zwischen den zwei Linsen (72) angeordnet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die optische Anordnung (14) einen Strahlteiler (40) aufweist, wobei der Beleuchtungsstrahlengang (24) und der Abbildungsstrahlengang (26) zwischen dem Strahlteiler (40) und dem Messobjekt (30) einen gemeinsamen Strahlengang (42) bilden, wobei das Zuordnungselement (34) in dem gemeinsamen Strahlengang (42) angeordnet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Zuordnungselement (34) eine eindimensionale Struktur (44) aufweist.
Sensor nach Anspruch 7, wobei die eindimensionale Struktur (44) ausgewählt ist aus einem Element der Gruppe aufweisend genau eine Reihe von detektionsseitigen Faserenden (46), eine Schlitzblende (48) und genau eine Reihe Pinholes (50).
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Zuordnungselement (34) ausgewählt ist aus der Gruppe aufweisend ein Faserbündel mit genau einer Reihe von detektionsseitigen Faserenden (52), eine Schlitzblende (48) und eine Pinholeanordnung mit genau einer Reihe Pinholes (50).
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die optische Anordnung (14) ein Faserbündel (58) aufweist.
Sensor nach Anspruch 10, wobei die Summe der Fasern des Faserbündels (58) kleiner oder gleich der Anzahl der mehreren Detektorzeilen (36) ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Sensor (10) derart ausgestaltet ist, dass jeweils eine Detektorzeile (22) der mehreren Detektorzeilen (36) zur Erfassung genau eines Abstandswerts verwendet wird.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die optische Anordnung (14) eingerichtet ist, um je Messpunkt (38) mindestens 70 % der jeweiligen Detektorzeile zur Erzeugung der spektralen Verteilung zu nutzen.
Koordinatenmessgerät aufweisend einen Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Verfahren zur Bestimmung von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts (30), mit den Schritten: - Bereitstellen eines Sensors (10) mit einer chromatischen Lichtquelle (12), einer optischen Anordnung (14) mit einem Zuordnungselement (34), einer Spektrometeranordnung (16) und einer Auswerte- und Steuereinrichtung (18), wobei die Spektrometeranordnung (16) einen Detektor (20) mit mehreren Detektorzeilen (36) aufweist, wobei die optische Anordnung (14) einen Beleuchtungsstrahlengang (24) und einen Abbildungsstrahlengang (26) aufweist, - Anordnen des Messobjekts (30) relativ zu dem Sensor (10), - Aussenden eines Beleuchtungslichtstrahls (28) mittels der chromatischen Lichtquelle (12), - Aufprägen einer chromatischen Längsaberration auf den Beleuchtungslichtstrahl (28) und Beaufschlagen des Messobjekts (30) mit dem Beleuchtungslichtstrahl (28) mittels des Beleuchtungsstrahlengangs (24), - Führen von von dem Messobjekt (30) reflektiertem Licht zu der Spektrometeranordnung (16) mittel des Abbildungsstrahlengangs (26), und - Erzeugen einer spektralen Verteilung je Messpunkt (38) aus von mehreren Messpunkten (38) des Messobjekts (30) reflektiertem Licht und Erfassung eines Abstandswerts des jeweiligen Messpunkts (32) zu einem Teil des Sensors (10) aus der spektralen Verteilung mittels der Auswerte- und Steuereinrichtung (18), dadurch gekennzeichnet, dass das Zuordnungselement (34) von jedem Messpunkt (38) der mehreren Messpunkte des Messobjekts (30) reflektiertes Licht eineindeutig einer der mehreren Detektorzeilen (36) zuordnet.