DE102018218594A1

DE102018218594A1 - Sensorkopf zum Erfassen mindestens einer 3D-Information

Info

Publication number: DE102018218594A1
Application number: DE102018218594.8A
Authority: DE
Inventors: Nils Haverkamp
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2020-04-30

Abstract

Es wird ein Sensorkopf (112) zum Erfassen mindestens einer 3D-Information mindestens eines Messobjekts (114) vorgeschlagen. Der Sensorkopf (112) weist mindestens einen Messstrahlengang (124) mit mindestens einem Objektiv (116) auf. Der Sensorkopf (112) weist mindestens einen Lichtwellenleiter (126) auf, welcher eingerichtet ist mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl bereitzustellen. Der Sensorkopf (112) weist mindestens eine Koppelvorrichtung (128) auf, welche eingerichtet ist den Beleuchtungslichtstrahl in den Messstrahlengang (124) einzukoppeln und mindestens einen von dem Messobjekt (114) in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten Detektionslichtstrahl in den Lichtwellenleiter (126) einzukoppeln. Die Koppelvorrichtung (128) und/oder das Objektiv (116) weien bzw. können aufweisen einen chromatischen Längsfehler. Der Sensorkopf (112) weist mindestens eine Abbildungsvorrichtung (130) auf, welche eingerichtet ist mindestens ein Signal umfassend mindestens eine Information über mindestens eine Abbildung des Messobjekts (114) zu erzeugen. Der Sensorkopf (112) weist mindestens eine Wechselschnittstelle (120) auf, welche derart ausgestaltet ist, dass der Sensorkopf (112) wechselbar ist. Der Lichtwellenleiter (126) ist eingerichtet den Detektionslichtstrahl und das Signal umfassend die Information über die Abbildung des Messobjekts (114) zu der Wechselschnittstelle (120) zu übertragen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Sensorkopf zum Erfassen mindestens einer 3D-Information mindestens eines Messobjekts, ein Koordinatenmessgerät und ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer 3D-Information mindestens eines Messobjekts. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik unter Verwendung eines Koordinatenmessgeräts.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung von Koordinaten eines Messobjekts, beispielsweise Werkstücke, Turbinenschaufeln, Karosseriebleche, Dichtungen oder Leiterplatinen, bekannt. Ein Großteil der bekannten Koordinatenmessgeräte ist als optisches oder taktiles Koordinatenmessgerät ausgestaltet. Dabei umfassen optische Koordinatenmessgeräte beispielsweise Punkt-, Linien-, Flächen- und Volumen-Messgeräte. Koordinatenmessgeräte können beispielsweise als Portalmessgeräte ausgestaltet sein. Portalmessgeräte umfassen ein Portal, welches zwei vertikale Säulen und eine die zwei Säulen in einem oberen Bereich verbindende Traverse aufweist, und welches auf einem Grundkörper zur Auflage des zu vermessenden Werkstückes in einer horizontalen Richtung beweglich gelagert ist. Entlang der Traverse ist ein Messschlitten beweglich gelagert, in welchem eine in vertikaler Richtung bewegliche Pinole gelagert ist. An einem unteren Ende der Pinole ist ein Sensor, insbesondere ein taktiler oder optischer Sensor, mit welchem eine Oberfläche des Messobjekts abgetastet oder berührungsfrei abgebildet werden kann, angeordnet. Der Sensor kann durch die beschriebene Portal-Mechanik in allen Koordinatenrichtungen x, z, y relativ zum zu vermessenden Messobjekt bewegt werden. Zusätzlich können auch ein oder mehrere Rotationsachsen zum Schwenken der Sensorik um die x-, y- und z-Achse verbaut sein.
Weiter bekannt sind sogenannte Multisensorik-Koordinatenmessgeräte, welche angesichts von komplexer werdenden Messapplikationen mehr als eine Sensorik zur Erfassung der Werkstückeigenschaften aufweisen. Derartige Multisensorik-Koordinatenmessgeräte sind jedoch im Allgemeinen hochspezialisierte Maschinen. Beispielsweise können von bekannten Multisensorik-Koordinatenmessgeräten Genauigkeiten von 1 bis 5 Mikrometer erreicht werden, jedoch für relative kleine Messvolumina, bspw. 800x600x400 mm³. Weiter können bei bekannten Multisensorik-Koordinatenmessgeräten sowohl die optischen als auch die taktilen Sensoren nur kartesisch Verfahren werden. Derartige Koordinatenmessgeräte umfassen zwar Drehtische zur Drehung des Werkstücks, jedoch können diese Drehachsen häufig nur als Zustellachsen angesehen werden, d.h. mit diesen Zustellachsen kann das Werkstück zwar positioniert, insbesondere gedreht werden, aber diese Achsen sind nicht vollständig integriert, so dass ein Scannen, bzw. eine Simultanfahrt, mit den Achsen nur eingeschränkt möglich sein kann. Zudem sind die Sensoriken dieser Koordinatenmessgeräte vergleichsweise klobig und erlauben nur kurze Arbeitsabstände für verwendete Optiken, so dass ein Eintauchvermögen derartiger Koordinatenmessgeräte begrenzt sein kann.
Koordinatenmessgeräte mit einem kompakten abbildenden Sensor an fünf Achsen können eine gute Zugänglichkeit, große Messbereiche erreichen, und eine flächige Vermessung eines Werkstücks ermöglichen. Nachteilig kann hier jedoch eine geringe Messgenauigkeit sein, beispielsweise etwa eine Größenordnung schlechter als oben beschriebene Genauigkeiten, was u.a. auch durch eine geringe Abstandsmessfähigkeit durch eine Verwendung von niedrig-aperturigen Optiken bedingt sein kann.
Weiter bekannt sind Koordinatenmessgeräte zur Vermessung eines Abstand zu einem Punkt des Werkstücks unter Verwendung von einem chromatischen Weißlichtsensor, welcher explizit für hochgenaue optische Abstandsmessungen eingerichtet ist.
Beispielsweise beschreibt WO 2014/023344 A1 eine Vorrichtung zum Inspizieren eines Messobjekts, mit einer Werkstückaufnahme zur Aufnahme des Messobjekts, mit einem einen optischen Sensor tragenden Messkopf. Der Messkopf und die Werkstückaufnahme sind relativ zueinander verfahrbar. 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, wobei das Objektiv ferner eine Blende und eine Vielzahl von Linsengruppen aufweist, 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 des Weiteren eine chromatische Baugruppe auf und ist derart ausgebildet, dass die chromatische Baugruppe wahlweise in den Beleuchtungsstrahlengang und/oder den Abbildungsstrahlengang einbringbar ist.
Derartige Koordinatenmessgeräte erlauben jedoch keine flächige Vermessung des Werkstücks, sondern nur eine Bestimmung des Abstands eines Punktes des Werkstückes relativ zu dem Sensor. Weiter sind der Messkopf oder die Messköpfe mit dem Koordinatenmessgerät verbunden, insbesondere nicht auswechselbar, welches zu Einschränkungen in der Flexibilität bei verschiedenen Messaufgaben führen kann.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Koordinatenmessgerät und ein Verfahren bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere sollen eine möglichst hochauflösende drei-dimensionale Messung eines ausgedehnten und ggf. topographiebehafteten Messobjekts und eine Flexibilität bei Messaufgaben ermöglicht werden. Insbesondere sollen eine möglichst hochauflösende Messung und möglichst große Messfelder ermöglicht werden.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben dem durch diese Begriffe eingeführten Merkmal, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe oder ähnliche Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Sensorkopf zum Erfassen mindestens einer 3D-Information mindestens eines Messobjekts vorgeschlagen.
Unter einem „Messobjekt“ kann allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebig geformtes zu vermessendes Objekt verstanden werden. Beispielsweise kann das Messobjekt ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus einem Prüfling, einem zu vermessenden Werkstück und einem zu vermessenden Bauteil. Insbesondere kann es sich bei dem Messobjekt um ein flächiges Messobjekt handeln, beispielsweise mit einer ausgedehnten Oberfläche. Die Oberfläche kann zumindest teilweise reflektierend sein. Unter teilweise reflektierend kann verstanden werden, dass die Oberfläche des Messobjekts eingerichtet ist, zumindest einen Anteil eines Beleuchtungslichtstrahl zu spiegeln und/oder zu streuen. Das Messobjekt, insbesondere die Oberfläche des Messobjekts, kann starke Krümmungen, d.h. kleine Radien bis hin zu scharfen Kanten, aufweisen. Das Messobjekt kann einen Chip, insbesondere einen Mikrochip, mit Leiterbahnstrukturen umfassen. Auch andere Messobjekte sind jedoch denkbar. Die Oberfläche kann Abweichungen von einer ebenen und/oder planaren Fläche aufweisen, insbesondere Höhenunterschiede und - sprünge.
Unter einer „3D-Information“ kann eine Information über mindestens eine transversale Koordinate des Messobjekts, beispielsweise eine x- und/oder y -Koordinate, und über mindestens eine Höhenkoordinate des Messobjekts und/oder mindestens einen Abstand zu einer Objektebene des Messobjekts verstanden werden. Unter Koordinaten eines Messobjekts können im Rahmen der vorliegenden Erfindung Koordinaten auf der zu vermessenden Oberfläche des Messobjekts verstanden werden. Zu diesem Zweck können ein oder mehrere Koordinatensysteme verwendet werden. Beispielsweise kann ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem verwendet werden. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Der Sensorkopf kann eine optische Achse in Blickrichtung eines Objektivs aufweisen. Die optische Achse kann eine Achse des Koordinatensystems sein, beispielsweise die z-Achse. Unter einer Höhenkoordinate, Abstandskoordinate oder einem Abstand kann eine Koordinate entlang der z-Achse verstanden werden. Unter „Erfassen“ der 3D-Information kann ein Erzeugen und/oder ein Detektieren und/oder ein Aufnehmen der 3D-Information verstanden werden. Die Information über den Abstand kann beispielsweise eine Information über einen Abstand zwischen einem Bestimmungsort auf der Oberfläche des Messobjekts und dem Sensorkopf umfassen, beispielsweise ein Abstand zwischen dem Bestimmungsort und mindestens einem Element des Sensorkopfes, insbesondere dem Objektiv. Unter dem Ausdruck „Bestimmungsort“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein grundsätzlich beliebiger Ort, insbesondere ein Punkt oder eine Fläche, auf der zu vermessenden Oberfläche des Messobjekts verstanden werden, an welchem eine Erfassen einer Koordinate erfolgt. Beispielsweise kann ein Bestimmungsort ein Messpunkt auf der Oberfläche des Messobjekts sein. Senkrecht zu der z-Achse können weitere Achsen, beispielsweise x-Achse und y-Achse und auch Rotationsachsen, vorgesehen sein.
Der Sensorkopf kann eingerichtet sein, das Messobjekt flächig zu vermessen. Der Sensorkopf kann eingerichtet sein, das Messobjekt, insbesondere die Oberfläche und/oder eine Oberflächenkontur des Messobjekts, zu vermessen. Insbesondere kann der Sensorkopf ein berührungsloser Abstandssensor im Bereich der Koordinatenmesstechnik sein oder kann in einem berührungslosen Abstandssensor verwendet werden. Der Sensorkopf kann eingerichtet sein, eine ausgedehnte, insbesondere nicht punktförmige, Oberfläche des Messobjekts zu vermessen. Unter einer „flächigen Vermessung“ kann eine Bestimmung einer 3D-Information eines ausgedehnten Bereichs, insbesondere einer Fläche, des Messobjekts verstanden werden. Die Information über mindestens eine transversale Koordinate des Messobjekts kann beispielsweise eine zwei-dimensionale Abbildung des Messobjekts umfassen, insbesondere eine flächige Abbildung. Unter einer „flächigen Abbildung“ kann eine Abbildung einer ausgedehnten Fläche des Messobjektsverstanden werden, insbesondere eine nicht-punktförmige Abbildung. Die Information über die Höhenkoordinate und/oder den Abstand zu einer Objektebene des Messobjekts kann eine Information über eine Vielzahl von Höhenkoordinaten und/oder Abständen zu Objektebenen des Messobjekts umfassen, insbesondere Höhenkoordinaten und/oder Abständen zu Objektebenen des Messobjekts von einer Vielzahl von Bestimmungsorten des ausgedehnten Bereichs des Messobjekts. Insbesondere kann der Sensorkopf ein chromatischer Flächensensor und/oder ein chromatischer Rasterpunktsensor sein und/oder umfassen. Die 3D-Information kann mindestens eine 3D-Punktwolke umfassen.
Unter einem „Sensorkopf“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist mit dem Messobjekt in Wechselwirkung zu treten und eine Antwort des Messobjekts auf das in Wechselwirkungtreten zu erfassen, beispielsweise einen von dem Messobjekt in Antwort auf einen Beleuchtungslichtstrahl erzeugten Lichtstrahl. Der Sensorkopf kann eingerichtet sein mindestens ein Signal, beispielsweise ein elektronisches oder optisches Signal, insbesondere einen Detektionslichtstrahl, zu erzeugen. Der Sensorkopf kann mit einer Sensorik, beispielsweise eines Koordinatenmessgeräts, verbunden sein, welche eine Messung der 3D-Information erzeugt. Der Sensorkopf kann wechselbar, insbesondere ein- und auswechselbar ausgestaltet sein. Der Sensorkopf kann, wie weiter unten ausgeführt, mindestens eine Wechselschnittstelle aufweisen. Der Sensorkopf kann mittels der Wechselschnittstelle an ein Koordinatenmessgerät, insbesondere eine Schnittstelle des Koordinatenmessgeräts ein- und ausgewechselt werden. Insbesondere kann der Sensorkopf maschinell wechselbar sein. Auch eine manuelle Ein- oder Auswechslung kann möglich sein.
Der Sensorkopf weist mindestens einen Messstrahlengang mit mindestens einem Objektiv auf. Der Sensorkopf weist mindestens einen Lichtwellenleiter auf. Der Lichtwellenleiter ist eingerichtet mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl bereitzustellen. Der Sensorkopf weist mindestens eine Koppelvorrichtung auf, welche eingerichtet ist den Beleuchtungslichtstrahl in den Messstrahlengang einzukoppeln und mindestens einen von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten Detektionslichtstrahl in den Lichtwellenleiter einzukoppeln. Die Koppelvorrichtung weist einen chromatischen Längsfehler auf. Der Sensorkopf weist mindestens eine Abbildungsvorrichtung auf, welche eingerichtet ist mindestens ein Signal umfassend mindestens eine Information über mindestens eine Abbildung des Messobjekts zu erzeugen.
Der Sensorkopf kann mindestens eine Wechselschnittstelle aufweisen, welche derart ausgestaltet ist, dass der Sensorkopf wechselbar ist. Der Lichtwellenleiter kann eingerichtet sein, den Detektionslichtstrahl und das Signal umfassend die mindestens eine Information über die mindestens eine Abbildung des Messobjekts zu der Wechselschnittstelle zu übertragen.
Unter einem „Lichtwellenleiter“ kann ein Wellenleiter zur Übertragung von Licht verstanden werden. Der Lichtwellenleiter kann mindestens eine Faser, beispielsweise eine polymere optische Faser, aufweisen. Der Lichtwellenleiter kann einen lichtführenden Kern aufweisen, welcher von einem Mantel umgeben ist. Der Mantel kann einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen als der Kern. Der Lichtwellenleiter kann als Monomodefaser oder als Multimodefaser ausgestaltet sein. Der Lichtwellenleiter ist eingerichtet mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl bereitzustellen. Der Lichtwellenleiter kann eingerichtet sein mindestens einen von einer Beleuchtungsvorrichtung erzeugten Beleuchtungslichtstrahl zur Beleuchtung des Messobjekts bereitzustellen. Unter einer Beleuchtungsvorrichtung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, mindestens einen Lichtstrahl zu erzeugen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine einfarbige und/oder eine RGB-Lichtquelle und/oder mindestens eine Weißlichtquelle aufweisen.
Unter „Licht“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung elektromagnetische Strahlung in mindestens einem Spektralbereich ausgewählt aus dem sichtbaren Spektralbereich, dem ultravioletten Spektralbereich und dem Infraroten Spektralbereich verstanden werden. Der Begriff sichtbarer Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 380 nm bis 780 nm. Der Begriff Infraroter (IR) Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 780 nm bis 1000 µm, wobei der Bereich von 780 nm bis 1.4 µm als nahes Infrarot (NIR), und der Bereich von 15 µm bis 1000 µm als fernes Infrarot (FIR) bezeichnet wird. Der Begriff ultraviolett umfasst grundsätzlich einen Spektralbereich von 100 nm to 380 nm. Bevorzugt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung sichtbares Licht, also Licht aus dem sichtbaren Spektralbereich, verwendet. Unter dem Begriff „Lichtstrahl“ kann grundsätzlich eine Lichtmenge verstanden werden, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder ausgesandt wird. Der Lichtstrahl kann ein Strahlenbündel sein. Unter dem Begriff „Beleuchtungslichtstrahl“ kann ein Lichtstrahl verstanden werden, welcher von der Beleuchtungsvorrichtung erzeugt wird und das Messobjekt, insbesondere die Oberfläche des Messobjekts, beleuchtet. Unter „mindestens einen vom Messobjekt ausgehenden Detektionslichtstrahl“ kann ein Lichtstrahl verstanden werden, welcher von dem Messobjekt, insbesondere von der Oberfläche des Messobjekts, remittiert wird und von dem Sensorkopf detektierbar ist. Der Detektionslichtstrahl kann eine Ausbreitungsrichtung aufweisen, so dass der Detektionslichtstrahl das Objektiv beleuchtet.
Unter dem Begriff „Strahlengang“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verlauf von Lichtstrahlen durch optische Elemente verstanden werden. Unter „einem Messstrahlengang“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Strahlengang verstanden werden, welcher eingerichtet ist den Beleuchtungslichtstrahl für eine Beleuchtung des Messobjekts bereitzustellen und/oder den Detektionslichtstrahl zu erfassen. Der Messstrahlengang kann einen Beleuchtungsstrahlengang und einen Detektionsstrahlengang aufweisen. Der Beleuchtungsstrahlengang und der Detektionsstrahlengang können identisch oder verschieden ausgestaltet sein. Der Sensorkopf weist die mindestens eine Koppelvorrichtung auf, welche eingerichtet ist den Beleuchtungslichtstrahl in den Messstrahlengang einzukoppeln und mindestens einen von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten Detektionslichtstrahl in den Lichtwellenleiter einzukoppeln. Unter einer „Koppelvorrichtung“ kann ein beliebiges optisches Element verstanden werden, welches eingerichtet ist den Beleuchtungslichtstrahl in den Messstrahlengang einzukoppeln und den Detektionslichtstrahl in den Lichtwellenleiter einzukoppeln. Die Koppelvorrichtung kann mindestens einen Strahlteiler aufweisen, beispielsweise einen dünnen Strahlteiler. Dünne Strahlteiler, beispielsweise so genannte Pellicles, können auf Foliensubstrate aufgebrachte Schichten sein. Alternativ können dünne Strahlteiler Glas- und Quartzsubstrate von beispielsweise etwa 1mm und dünner aufweisen. Die Verwendung eines dünnen Strahlteilers kann eine hohe Abbildungsqualität eines, weiter unten, beschriebenen Abbildungsstrahlengangs zur Abbildungsvorrichtung gewährleisten. Die Koppelvorrichtung und/oder das Objektiv können einen chromatischen Längsfehler aufweisen. Bevorzugt weist nur die Koppelvorrichtung einen chromatischen Längsfehler auf. Die Koppelvorrichtung kann mindestens eine Optik aufweisen, beispielsweise eine Linse und/oder ein Linsensystem, welches einen chromatischen Längsfehler aufweist. Der chromatische Längsfehler der Koppelvorrichtung kann das 10 bis 100 fache einer Fokustiefe des Objektivs betragen.
Teile des Messstrahlengangs und/oder des Abbildungsstrahlengangs können in Scheimpflug-Ausrichtung realisiert sein, so dass eine Linien-Sensorik und/oder ein Linien-Verfahren möglich sind.
Der Messstrahlengang weist das mindestens eine Objektiv auf. Unter einem „Objektiv“ kann ein optisches System verstanden werden, welches eingerichtet ist den Beleuchtungslichtstrahl auf das Messobjekt zu fokussieren, beispielsweise in einem oder mehreren Fokuspunkten. Das Objektiv kann chromatisch aberrative Eigenschaften aufweisen, insbesondere einen chromatischen Längsfehler. Das Objektiv kann mindestens ein optisches Element aufweisen. Das optische Element kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einer Linse, mindestens einem Linsensystem. Das Linsensystem kann eine Mehrzahl von Linsen aufweisen. Das Objektiv kann beidseitig telezentrisch sein. Das Objektiv kann eine Stirnseite aufweisen. Unter einer Stirnseite kann eine dem Messobjekt zugewandte Seite des Objektivs verstanden werden. Das Objektiv kann eine Rückseite aufweisen, welche dem Messobjekt abgewandt ist. Das Objektiv kann eingerichtet sein mindestens eine Objektebene des Messobjekts auf eine erste Zwischenebene abzubilden, vorzugsweise chromatisch korrigiert. Die Bezeichnungen „erster“ oder „zweiter“ sind als Bezeichnungen zu verstehen und geben insbesondere keine Auskunft, ob weitere Elemente vorgesehen sind. Unter einer „Objektebene“ kann eine Ebene senkrecht zur optischen Achse verstanden werden, in welcher mindestens ein Punkt der Oberfläche des Messobjekts angeordnet ist. Unter einer „Zwischenebene“ kann eine Abbildungsebene verstanden werden, in welche der Detektionslichtstrahl von dem Objektiv abgebildet, insbesondere fokussiert, wird. Die Zwischenebene kann eine reelle oder eine virtuelle Zwischenebene sein.
Der Beleuchtungslichtstrahl kann von der Weißlichtquelle über den Lichtwellenleiter zu der Koppelvorrichtung geleitet werden. Die Optik der Koppelvorrichtung kann das weiße Ausgangsspektrum des Beleuchtungslichtstrahls abhängig von der Wellenlänge in verschiedenen Fokustiefen fokussieren. Durch einen Strahlteiler der Koppelvorrichtung kann der Beleuchtungslichtstrahl in den Messstrahlengang umfassend das Objektiv eingekoppelt werden und von dem Objektiv auf mindestens eine Objektebene fokussiert werden. In dem Messstrahlengang kann für mindestens eine Wellenlänge eines Beleuchtungslichtstrahls ein Beleuchtungsstrahlengang und ein Detektionsstrahlengang konfokal sein. Insbesondere kann bevorzugt Licht der Wellenlänge in den Lichtwellenleiter reflektiert und/oder eingekoppelt werden, für das die Oberfläche im Brennpunkt liegt. Insbesondere kann für mindestens eine Wellenlänge des Beleuchtungslichtstrahls die Bedingung erfüllt sein, dass sich ein erster Fokus des Beleuchtungslichtstrahls auf einem Bestimmungsort auf der Oberfläche des Messobjekts befindet und sich gleichzeitig ein zweiter Fokus des Detektionslichtstrahls an einem Punkt in einer Apertur des Lichtwellenleiters befindet.
Der Sensorkopf weist mindestens eine Abbildungsvorrichtung auf, welche eingerichtet ist das mindestens eine Signal umfassend die mindestens eine Information über die mindestens eine Abbildung des Messobjekts zu erzeugen. Unter einer Abbildungsvorrichtung kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist eine Abbildung, insbesondere eine zwei-dimensionale Abbildung, des Messobjekts und/oder eines Teil des Messobjekts zu erzeugen. Die Abbildungsvorrichtung kann mindestens eine Kamera aufweisen. Die Abbildungsvorrichtung kann eingerichtet sein eine flächige Abbildung des Messobjekts zu erzeugen. Die Abbildungsvorrichtung kann mindestens ein pixeliertes Sensorelement aufweisen. Beispielsweise kann die Abbildungsvorrichtung mindestens eine CMOS-Kamera und/oder eine CCD-Kamera aufweisen. Unter „mindestens ein Signal umfassend die mindestens eine Information über die mindestens eine Abbildung des Messobjekts“ kann ein digital-optisches Signal verstanden werden, insbesondere eine von der Abbildungsvorrichtung erzeugte Abbildung, beispielsweise Bilddaten. Der Lichtwellenleiter kann eingerichtet sein zu einer optischen Datenübertragung, um die unter Umständen großen Datenmengen, wie sie von modernen Digitalkameras erzeugt wird, effizient, d.h. insbesondere abwärmearm und datenverlustarm über große Strecken zu übertragen. Insbesondere kann die Lichtleiterverbindung eingerichtet sein, über geeignete optischemechanische Schnittstellen eine Abkopplung bzw. ein Wechseln der Sensorik zu ermöglichen. Es kann beispielsweise durch geeignet gewählte Optokoppler auch eine breitbandige Verbindung über Rotationsfreiheitsgrade der Maschinenkinematik hinweg realisiert sein.
Der Sensorkopf kann mindestens eine Relais-Optik aufweisen, welche eingerichtet ist die Abbildung der Objektebene auf der ersten Zwischenebene auf eine zweite Zwischenebene der Abbildungsvorrichtung abzubilden. Unter einer Relais-Optik kann eine Optik verstanden werden, welche eingerichtet ist von einem rellen Bild eines realen Objekt in einer bestimmten Ebene ein weiteres reelles Bild zu erzeugen, beispielsweise in der zweiten Bildebene. Die Relais-Optik kann mindestens eine Relay-Linse und/oder ein System von Relay-Linsen aufweisen. Ein Strahlengang der Relais-Optik, auch als Abbildungsstrahlengang oder Relaisstrahlengang bezeichnet, kann zweifach abgewinkelt sein. Eine zweifach-abgewinkelte Ausgestaltung ist vorteilhaft, da so eine möglichst Kompakte Ausgestaltung des Sensorkopfs möglich ist. Dieses kann weiter vorteilhaft sein hinsichtlich Trägheitsmomenta, welche der Sensorkopf darstellt, und welche bei Drehachsapplikationen von Bedeutung sein kann. Der Sensorkopf kann mindestens eine zweite Koppelvorrichtung, beispielsweise einen zweiten Strahlteiler, aufweisen, welcher eingerichtet ist eine konjugierte Bildebene einzukoppeln. Die konjungierte Bildebene kann mindestens eine weitere Kamera aufweisen, welche beispielsweise eine andere Pixelanzahl aufweist als die Abbildungsvorrichtung. Die konjungierte Bildebene kann mindestens eine Hellfeldbeleuchtung und/oder mindestens eine weitere RGB-Kamera und/oder mindestens eine Hyperspektralkamera aufweisen. Bei Verwendung einer zusätzlichen RGB-Kamera und/oder einer Hyperspektralkamera kann vorzugsweise das Objektiv chromatisch aberrative Eigenschaften aufweisen, insbesondere einen chromatischen Längsfehler. Der chromatische Längsfehler des Objektivs kann beispielsweise 1 bis 10 Fokustiefen des Objektivs betragen. Bei Verwendung einer RGB-Kamera kann die Beleuchtungsvorrichtung mindestens eine RGB-Lichtquelle aufweisen. Bei Verwendung einer Hyperspektralkamera kann die Beleuchtungsvorrichtung mindestens eine echte Weißlichtquelle aufweisen mit einem kontinuierlichen Spektrum.
Der Lichtwellenleiter kann eingerichtet sein den Detektionslichtstrahl und das Signal umfassend die mindestens eine Information über die mindestens eine Abbildung des Messobjekts zu der Wechselschnittstelle zu übertragen. Die von der Abbildungsvorrichtung und/oder von der weiteren RGB-Kamera und/oder von der Hyperspektralkamera aufgenommenen Daten können vorzugsweise über eine digital-optische Verbindung mittels des Lichtleiters und/oder eines weiteren Lichtleiters zu einer Auswerteeinheit, insbesondere einem Bildverarbeitungsrechner, übertragen werden. Die Abbildungsvorrichtung kann mit dem Lichtwellenleiter verbunden sein. Beispielsweise kann der Sensorkopf einen weiteren Lichtwellenleiter aufweisen, welcher mit der Abbildungsvorrichtung verbunden ist und welcher beispielsweise mit dem Lichtwellenleiter verbunden werden kann, beispielsweise durch Spleißen.
Der Lichtwellenleiter kann eingerichtet sein zu einer optischen Datenübertragung. Der Lichtwellenleiter kann eingerichtet sein mindestens zwei Signale mit verschiedenen Wellenlängen zu übertragen. Der Lichtwellenleiter kann eingerichtet sein ein erstes Signal mit einer ersten Wellenlänge zu übertragen und ein zweites Signal mit einer zweiten Wellenlänge zu übertragen, wobei die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge voneinander verschieden sind. Bevorzugt kann die optische Datenübertragung in einem von dem Detektionslichtstrahl getrennten Wellenlängenbereich, beispielsweise im nahen Infrarot, erfolgen. Dieses erlaubt mit wenigen Lichtwellenleitern und nur einer Wechselschnittstelle auszukommen. Der Beleuchtungslichtstrahl, und damit auch der Detektionslichtstahl, und das Signal umfassend die Information über die Abbildung des Messobjekts können verschiedene Wellenlängen aufweisen. Der Beleuchtungslichtstrahl kann eine Wellenlänge im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts aufweisen. Das Signal umfassend die Information über die des Messobjekts kann eine Wellenlänge im nahen Infrarot aufweisen. Insbesondere kann der Lichtwellenleiter eingerichtet sein, den Detektionslichtstrahl und das Signal umfassend mindestens eine Information über eine Abbildung des Messobjekts gleichzeitig zu übertragen. Insbesondere kann die Übertragung der Bildinformationsdaten im nahen Infrarot und der Abstandsinformation im Visuellen über ein und denselben Lichtwellenleiter erfolgen, welcher sich beispielsweise nur vor den Auswerteeinheiten aufspaltet.
Der Sensorkopf kann mindestens eine Wechselschnittstelle aufweisen. Unter einer „Wechselschnittstelle“ kann eine Schnittstelle des Sensorkopfs verstanden werden, welche ein Einwechseln und ein Auswechseln des Sensorkopfes an ein Koordinatenmessgerät, insbesondere an eine Schnittstelle des Koordinatenmessgeräts, ermöglicht. Die Wechselschnittstelle kann eingerichtet sein den Sensorkopf und die Schnittstelle des Koordinatenmessgeräts elektrisch und/oder mechanisch zu verbinden. Beispielsweise kann das Koordinatenmessgerät mindestens eine Schnittstelle mit mindestens einer Aufnahme und/oder Halterung aufweisen, welche zum Einwechseln und Auswechseln des Sensorkopfes und/oder zur Positionierung des Sensorkopfes und/oder zur Befestigung des Sensorkopfes eingerichtet sind. Über die Wechselschnittstelle des Sensorkopfes und die Schnittstelle des Koordinatenmessgeräts hinweg können elektrische Versorgungsleitung, Kommunikationsschnittstellen, optische Schnittstellen und andere Schnittstellen vorgesehen sein, so dass beispielsweise eine Versorgung der elektronischen Komponenten des Sensorkopfes mit Energie und eine Bereitstellung des Beleuchtungslichtstrahls möglich sind. Die Kommunikationsschnittstellen können eingerichtet sein, einen Datentransfer von dem Sensorkopf zu beispielsweise einer Auswerteeinheit oder einem Messsystem des Koordinatenmessgeräts ermöglichen und/oder eine Steuerung des Sensorkopfes durch eine Steuereinheit des Koordinatenmessgeräts zu ermöglichen. Eine mechanische Verbindung und/oder Kopplung kann beispielsweise unter Verwendung von mindestens einem Befestigungselement realisiert werden, beispielsweise einem Dreipunktlager. Die Wechselschnittstelle kann maschinell wechselbar ausgestaltet sein, derart, dass ein automatischer und/oder maschineller Wechsel des Sensorkopfes möglich ist. Beispielsweise können eine Mehrzahl von Sensorköpfen, beispielweise für verschiedene Messaufgaben, in einem Magazin auf jeweils einem Magazinplatz angeordnet sein und/oder können auf diesem angeordnet werden. Die Wechselschnittstelle des Sensorkopfes und die Schnittstelle des Koordinatenmessgeräts können derart ausgestaltet sein, dass das Koordinatenmessgerät bei einem Einwechseln des Sensorkopfes aus dem Magazin den gewünschten Magazinplatz anfährt und durch eine senkrechte Bewegung den Sensorkopf in das Dreipunktlager ankoppelt, beispielsweise unter Verwendung einer magnetischen Haltervorrichtung.
Das Objektiv kann mindestens eine zweite Wechselschnittstelle aufweisen. Die zweite Wechselschnittstelle kann an der Stirnseite des Objektivs angeordnet sein. Die zweite Wechselschnittstelle kann eingerichtet sein zum Ein- und/oder Auswechseln mindestens eines Elements ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Vorsatzoptik, einer Vorsatzbeleuchtung, einem brechenden Element, einem diffraktiven Element, einem spiegelnden Element, einem streuenden Element, einer katadiopotischen Optik, einer Polarisationsoptik. Die zweite Wechselschnittstelle kann dazu dienen Vorsatz-Optiken und/oder - Beleuchtungen machinenwechselbar aufzunehmen. Unter „machinenwechselbar“ kann verstanden werden, dass ein automatisches und/oder maschinengesteuertes Ein- und Auswechseln möglich ist. Beispielsweise kann die zweite Wechselschnittstelle wie in DE 10 2017 203 044 B3 beschrieben ausgestaltet sein. Die zweite Wechselschnittstelle kann an einer Objektivhalterung angeordnet sein. Insbesondere kann die zweite Wechselschnittstelle unabhängig von dem Objektiv ausgestaltet sein. Bevorzugt ist die zweite Wechselschnittstelle nicht direkt mit dem Objektiv verbunden. Das Objektiv kann ein C-Mountobjektiv sein. Eine Ausgestaltung als C-Mountobjektiv kann erlauben ein breites Spektrum an Objektiven, beispielsweise mit unterschiedlichen Vergrößerungen, Arbeitsabständen, Auflösungsvermögen, Sichtfeldern und chromatischen Eigenschaften zu verwenden, so dass ein breites Kundenanforderungs- und Kundenpreisbereitschaftsspektrum mit weitgehend modularisiertem Gleichteil-Baukasten bedient werden kann. Auch für thermische Aspekte ist eine Trennung der zweiten Wechselschnittstelle von dem Objektiv vorteilhaft, insbesondere wenn die zweite Wechselschnittstelle Beleuchtungskomponenten tragen und betreiben soll. So kann ein Wärmeeintrag in die Optik bei getrennter Schnittstelle leichter zu bewerkstelligen sein. Die zweite Wechselschnittstelle kann eine Durchleitung von Strom und/oder von Daten erlauben. Eine Ausgestaltung, in welcher die zweite Wechselschnittstelle zur Durchleitung von Daten eingerichtet ist, kann erlauben Controllerfunktionen in die Lichtquelle vor zu verlagern. Dadurch kann eine Menge von Wechselschnittstellenkontakten begrenzt werden, wenn beispielsweise unterschiedliche Beleuchtungssettings geschaltet und/oder geregelt werden können.
In einem weiteren Aspekt wird ein Koordinatenmessgerät umfassend mindestens einen erfindungsgemäßen Sensorkopf vorgeschlagen. Der Sensorkopf kann nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen ausgestaltet sein. Für Einzelheiten und Definitionen in Bezug auf das Koordinatenmessgerät wird auf die Beschreibung des Sensorkopfs verwiesen.
Das Koordinatenmessgerät kann ein Portalmessgerät oder ein Brückenmessgerät sein. Das Koordinatenmessgerät kann einen Messtisch zur Auflage des Messobjekts aufweisen. Das Koordinatenmessgerät kann mindestens ein Portal aufweisen, welches mindestens eine erste vertikale Säule, mindestens eine zweite vertikale Säule und eine die erste vertikale Säule und die zweite vertikale Säule verbindende Traverse aufweist. Die horizontale Richtung kann eine Richtung entlang einer y-Achse sein. Das Koordinatenmessgerät kann ein Koordinatensystem, beispielsweise ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem, aufweisen. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann beispielsweise durch einen Sensor des Koordinatenmessgeräts gegeben sein. Eine x-Achse kann senkrecht zur y-Achse, in einer Ebene der Auflagefläche des Messtischs verlaufen. Senkrecht zu der Ebene der Auflagefläche, in eine vertikale Richtung, kann sich eine z-Achse erstrecken. Die vertikalen Säulen können sich entlang der z-Achse erstrecken. Die Traverse kann sich entlang der x-Achse erstrecken.
Das Koordinatenmessgerät kann mindestens einen Messschlitten aufweisen, welcher entlang der Traverse beweglich gelagert ist. Unter einem Messschlitten kann allgemein ein Schlitten verstanden werden, welcher eingerichtet ist, direkt oder mittels weiterer Bauteile mindestens eine Sensorvorrichtung aufzunehmen. In dem Messschlitten kann eine in eine vertikale Richtung, beispielsweise entlang der z-Achse, bewegliche Pinole gelagert ist. An einem unteren Ende, insbesondere einem in Richtung Auflagefläche zeigenden Ende, der Pinole kann der Sensorkopf, mit welchem eine Oberfläche des Messobjekts abgetastet werden kann, angeordnet sein. Beispielsweise können am Pinolenende weitere Achsen, z,B. Rotationsachsen für die Sensorik vorhanden sein.
Die Bewegung der Elemente des Koordinatenmessgeräts kann manuell und/oder automatisch betrieben und/oder eingestellt und/oder verstellt werden. Das Koordinatenmessgerät kann mindestens einen Antrieb aufweisen, beispielsweise mindestens einen Motor. Das Koordinatenmessgerät kann eine Steuerungseinheit aufweisen, welche eingerichtet ist, die Bewegung zu steuern und/oder zu regeln. Die Steuerungseinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/AusgabeVorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur und/oder ein Bedienpult.
Das Koordinatenmessgerät weist mindestens eine Schnittstelle zum Ein- und/oder Auswechseln des mindestens einen Sensorkopfs auf. Die Schnittstelle kann mindestens einer Aufnahme und/oder Halterung aufweisen, welche zum Einwechseln und Auswechseln des Sensorkopfes und/oder zur Positionierung des Sensorkopfes und/oder zur Befestigung des Sensorkopfes eingerichtet ist. Bei einem Einwechseln können die Wechselschnittstelle des Sensorkopfs und die Schnittstelle des Koordinatenmessgeräts miteinanderverbunden werden, wobei bei einem Auswechseln die Wechselschnittstelle des Sensorkopfs und die Schnittstelle des Koordinatenmessgeräts voneinander gentrennt werden. Wie oben ausgeführt, können über die Wechselschnittstelle des Sensorkopfes und die Schnittstelle des Koordinatenmessgeräts hinweg elektrische Versorgungsleitung, Kommunikationsschnittstellen, optische Schnittstellen und andere Schnittstellen vorgesehen sein und so beispielsweise eine Versorgung der elektronischen Komponenten des Sensorkopfes mit Energie und/oder eine Bereitstellung des Beleuchtungslichtstrahls und/oder einen Datentransfer von dem Sensorkopf zu beispielsweise der Auswerteeinheit oder einem Messsystem des Koordinatenmessgeräts und/oder eine Steuerung des Sensorkopfes durch eine Steuerung des Koordinatenmessgeräts ermöglichen. Eine mechanische Verbindung und/oder Kopplung kann beispielsweise unter Verwendung von mindestens einem Befestigungselement realisiert werden, beispielsweise einem Dreipunktlager der Schnittstelle.
Das Koordinatenmessgerät weist die mindestens eine Auswerteeinheit auf. Unter „einer Auswerteeinheit“ kann dabei allgemein eine elektronische Vorrichtung verstanden sein, welche eingerichtet ist, um von dem Sensorkopf erzeugte Signale auszuwerten und die Information zur z.B. grafischen Darstellung oder auch Datenspeicherung bereitzustellen. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem Sensorkopf und der Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um den Sensorkopf anzusteuern. Die Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/AusgabeVorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar.
Die Auswerteeinheit kann mindestens eine Bildverarbeitungseinheit aufweisen. Die Bildverarbeitungseinheit kann eingerichtet sein das Signal umfassend die Information über die Abbildung des Messobjekts zu empfangen und auszuwerten. Das Auswerten kann mindestens eine Bildauswertung und/oder Bildanalyse umfassen. Typische Applikationen können beispielsweise „Form und Lage“ sein, d.h. eine Feststellung von Abweichungen eines Merkmals des Messobjektes von dessen Soll-Position im Koordinatensystem des Werkstückes oder seiner Soll-Form (z.B. Rundheitsabweichung).
Das Koordinatenmessgerät kann mindestens eine Sensorik eines chromatischen Weißlichtsensor aufweisen, welche eingerichtet ist eine Information über einen Abstand zwischen mindestens einer Objektebene des Messobjekts zu dem Sensorkopf aus dem Detektionslichtstrahl zu bestimmen. Die Sensorik des chromatischen Weißlichtsensors kann mindestens ein Spektrometer aufweisen. Das Spektrometer kann eingerichtet sein eine wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung zu bestimmen. Die Sensorik des chromatischen Weißlichtsensors kann eingerichtet sein die wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung des Messsignals zu erfassen und auszuwerten. Das Auswerten kann ein Bestimmen der Information über den Abstand zwischen mindestens einer Objektebene des Messobjekts zu dem Sensorkopf aus dem Detektionslichtstrahl umfassen. Das Spektrometer und/oder die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein ein Intensitätsmaximum der wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung zu bestimmen, dem Intensitätsmaximum eine Wellenlänge zu zuordnen und aus der zugeordneten Wellenlänge eine Fokusebene und so Höhenkoordinate und/oder einen Abstand zu bestimmen.
Das Koordinatenmessgerät kann die mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweisen. Beispielsweise kann, wie oben ausgeführt, die Beleuchtungsvorrichtung die mindestens eine Weißlichtquelle aufweisen.
Das Koordinatenmessgerät kann mindestens einen Lichtwellenleiter umfassen, welcher mit der Schnittstelle und der Auswerteeinheit verbunden ist. Der Lichtwellenleiter des Koordinatenmessgeräts kann eingerichtet sein das Signal umfassend die Information über die Abbildung des Messobjekts und den Detektionslichtstrahl von der Schnittstelle zu der Auswerteeinheit zu übertragen.
Beispielsweise kann das Koordinatenmessgerät eingerichtet sein eine 3D-Punktewolke folgendermaßen zu bestimmen. Mit dem Relaisstrahlengang kann eine bestmöglich fokussierte Ebene auf die Abbildungsvorrichtung abgebildet werden. Die Sensorik des chromatischen Weißlichtsensors kann hochgenau den Abstand eines achsnahen Objektfeldpunktes relativ zu dem Sensorkopf bestimmen. Die weitere RGB-Kamera und/oder die Hyperspektralkamera kann eine unterabgerasterte Kopie eines Bildes von der Abbildungsvorrichtung erzeugen. Die unterabgerasterte Kopie kann für nicht unterabgerasterte Objektinhalte eine Höheninformation enthalten, welche daraus resultiert, dass der jeweilige Objektinhalt als Funktion der Höhe in der Objektebene bei unterschiedlichen Farben scharf abgebildet wird. Hinsichtlich einer Topographiemessung mit einer Hyperspektralkamera wird beispielsweise auf http://oimv.de/oimv.pdf, Seiten 306 ff. verwiesen. Das Koordinatenmessgerät kann eingerichtet sein mehrere Abbildungen mit leicht unterschiedlicher Position des Sensorkopfs relativ zu dem Messobjekt aufzunehmen. Beispielsweise können Abbildungen an derart vielen Positionen des Sensorkopfes aufgenommen werden, dass eine Unterabtastung der weiteren RGB-Kamera und/oder der Hyperspektralkamera kompensiert wird. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein die Bilder, bzw. Bildsätze der Abbildungsvorrichtung und der weiteren RGB-Kamera und/oder der Hyperspektralkamera zu vergleichen und so einen Farbgang des Messobjekts zu ermitteln. Dieser kann beispielsweise für eine hochgenaue Kantendetektion verwendet werden und/oder zu einer Kalibrationsüberwachung des Objektivs.
In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer 3D-Information mindestens eines Messobjekts vorgeschlagen. In dem Verfahren wird mindestens ein erfindungsgemäßes Koordinatenmessgerät verwendet. Das Koordinatenmessgerät umfasst mindestens einen erfindungsgemäßen Sensorkopf. Für Einzelheiten in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren wird auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Koordinatenmessgerät und des erfindungsgemäßen Sensorkopfs verwiesen.
Das Verfahren kann die folgenden Schritte umfassen:

-Bereitstellen mindestens eines Beleuchtungslichtstrahl mit mindestens einem Lichtwellenleiter des Sensorkopfes;
-Einkoppeln des Beleuchtungslichtstrahls mit mindestens einer Koppelvorrichtung des Sensorkopfes in mindestens einem Messstrahlengang des Sensorkopfes, wobei der Messstrahlengang mindestens ein Objektiv aufweist, wobei die Koppelvorrichtung und/oder das Objektiv einen chromatischen Längsfehler aufweist;
-Einkoppeln mindestens eines von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten Detektionslichtstrahles in den Lichtwellenleiter;
-Erzeugen mindestens eines Signals umfassend mindestens eine Information über mindestens eine Abbildung des Messobjekts mit mindestens einer Abbildungsvorrichtung des Sensorkopfes;
- Übertragen des Detektionslichtstrahls und des Signals umfassend die mindestens eine Information über die mindestens eine Abbildung des Messobjekts zu mindestens einer Wechselschnittstelle des Sensorkopfes, wobei die Wechselschnittstelle derart ausgestaltet ist, dass der Sensorkopf wechselbar ist.

Die Verfahrensschritte können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Auch eine andere Reihenfolge ist grundsätzlich möglich. Weiterhin können einer oder mehrere oder alle Verfahrensschritte auch wiederholt durchgeführt werden. Weiterhin können zwei oder mehrere der Verfahrensschritte auch ganz oder teilweise zeitlich überlappend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Das Verfahren kann, zusätzlich zu den genannten Verfahrensschritten, auch weitere Verfahrensschritte umfassen.
Weiterhin kann das Verfahren die folgenden Schritte umfassen:

- übertragen des Signals umfassend die Information über die Abbildung des Messobjekts und des Detektionslichtstrahl zu einer Auswerteeinheit mit mindestens einem weiteren Lichtwellenleiter des Koordinatenmessgeräts, welcher mit mindestens einer Schnittstelle des Koordinatenmessgeräts und der Auswerteeinheit verbunden ist;
- Bestimmen mindestens einer Information über einen Abstand zwischen mindestens einer Objektebene des Messobjekts zu dem Sensorkopf aus dem Detektionslichtstrahl mit mindestens einer Sensorik eines chromatischen Weißlichtsensors;
- Erzeugen mindestens einer Abbildung des Messobjekts aus dem Signal umfassend die Information über die Abbildung des Messobjekts;
-Bestimmen der 3D-Information des Messobjekts aus der Information über den Abstand und der Abbildung des Messobjekts.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen vorteilhaft. Eine flächige drei-dimensionale Vermessung eines ausgedehnten Messobjekts kann ohne Auflösungsverlust und ohne hochgenaue Verfahrung der Bewegung mechanischer Teile ermöglicht werden.
Zusammenfassend sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgende Ausführungsformen besonders bevorzugt:

Ausführungsform 1: Sensorkopf zum Erfassen mindestens einer 3D-Information mindestens eines Messobjekts, wobei der Sensorkopf mindestens einen Messstrahlengang mit mindestens einem Objektiv aufweist, wobei der Sensorkopf mindestens einen Lichtwellenleiter aufweist, welcher eingerichtet ist mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl bereitzustellen, wobei der Sensorkopf mindestens eine Koppelvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist den Beleuchtungslichtstrahl in den Messstrahlengang einzukoppeln und mindestens einen von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten Detektionslichtstrahl in den Lichtwellenleiter einzukoppeln, wobei die Koppelvorrichtung einen chromatischen Längsfehler aufweist, wobei der Sensorkopf mindestens eine Abbildungsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist mindestens ein Signal umfassend mindestens eine Information über mindestens eine Abbildung des Messobjekts zu erzeugen.
Ausführungsform 2: Sensorkopf nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der Sensorkopf mindestens eine Wechselschnittstelle aufweist, welche derart ausgestaltet ist, dass der Sensorkopf wechselbar ist, wobei der Lichtwellenleiter eingerichtet ist den Detektionslichtstrahl und das Signal umfassend die Information über die Abbildung des Messobjekts zu der Wechselschnittstelle zu übertragen.
Ausführungsform 3: Sensorkopf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Beleuchtungslichtstrahl und das Signal umfassend die Information über die Abbildung des Messobjekts verschiedene Wellenlängen aufweisen.
Ausführungsform 4: Sensorkopf nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der Beleuchtungslichtstrahl eine Wellenlänge im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts aufweist, wobei das Signal umfassend die Information über die Abbildung des Messobjekts eine Wellenlänge im nahen Infrarot aufweist.
Ausführungsform 5: Sensorkopf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Sensorkopf maschinell wechselbar ist.
Ausführungsform 6: Sensorkopf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Messstrahlengang einen Beleuchtungsstrahlengang und einen Detektionsstrahlengang aufweist, wobei der Beleuchtungsstrahlengang und der Detektionsstrahlengang identisch oder verschieden ausgestaltet sind.
Ausführungsform 7: Sensorkopf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Objektiv mindestens ein optisches Element aufweist, wobei das optische Element ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einer Linse, mindestens einem Linsensystem.
Ausführungsform 8: Sensorkopf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Objektiv beidseitig telezentrisch ist.
Ausführungsform 9: Sensorkopf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Objektiv eingerichtet ist, mindestens eine Objektebene des Messobjekts auf eine erste Zwischenebene abzubilden, vorzugsweise chromatisch korrigiert.
Ausführungsform 10: Sensorkopf nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der Sensorkopf mindestens eine Relais-Optik aufweist, welche eingerichtet ist die Abbildung der Objektebene auf der ersten Zwischenebene auf eine zweite Zwischenebene der Abbildungsvorrichtung abzubilden.
Ausführungsform 11: Sensorkopf nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei ein Strahlengang der Relais-Optik zweifach abgewinkelt ist.
Ausführungsform 12: Sensorkopf nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der Sensorkopf mindestens eine zweite Koppelvorrichtung aufweist, welcher eingerichtet ist eine konjugierte Bildebene einzukoppeln, wobei die konjungierte Bildebene mindestens eine Hellfeldbeleuchtung und/oder mindestens eine weitere RGB-Kamera und/oder mindestens eine Hyperspektralkamera aufweist.
Ausführungsform 13: Sensorkopf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Koppelvorrichtung mindestens eine Optik aufweist, welche chromatischen Längsfehler aufweist.
Ausführungsform 14: Sensorkopf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der chromatische Längsfehler der Koppelvorrichtung das 10 bis 100 fache einer Fokustiefe des Objektivs beträgt.
Ausführungsform 15: Sensorkopf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Koppelvorrichtung einen Strahlteiler aufweist.
Ausführungsform 16: Sensorkopf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Abbildungsvorrichtung mindestens eine Kamera aufweist.
Ausführungsform 17: Sensorkopf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Abbildungsvorrichtung eingerichtet ist eine flächige Abbildung des Messobjekts zu erzeugen.
Ausführungsform 18: Sensorkopf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Abbildungsvorrichtung mindestens ein pixeliertes Sensorelement aufweist, wobei die Abbildungsvorrichtung mindestens eine CMOS-Kamera und/oder eine CCD-Kamera aufweist.
Ausführungsform 19: Sensorkopf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Abbildungsvorrichtung mit dem Lichtwellenleiter verbunden ist.
Ausführungsform 20: Sensorkopf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Lichtwellenleiter eingerichtet ist zu einer optischen Datenübertragung.
Ausführungsform 21: Sensorkopf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Objektiv mindestens eine zweite Wechselschnittstelle aufweist, wobei die zweite Wechselschnittstelle an einer Stirnseite des Objektivs angeordnet ist, wobei die zweite Wechselschnittstelle eingerichtet ist zum Ein- und/oder Auswechseln mindestens eines Elements ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Vorsatzoptik, einer Vorsatzbeleuchtung, einem brechenden Element, einem diffraktiven Element, einem spiegelnden Element, einem streuenden Element, einer katadiopotischen Optik, einer Polarisationsoptik.
Ausführungsform 22: Sensorkopf nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die zweite Wechselschnittstelle an einer Objektivhalterung angeordnet ist.
Ausführungsform 23: Koordinatenmessgerät umfassend mindestens einen Sensorkopf nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Koordinatenmessgerät mindestens eine Schnittstelle zum Ein- und/oder Auswechseln des mindestens einen Sensorkopfs aufweist, wobei das Koordinatenmessgerät mindestens eine Auswerteeinheit aufweist.
Ausführungsform 24: Koordinatenmessgerät nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei bei einem Einwechseln die Wechselschnittstelle des Sensorkopfs und die Schnittstelle des Koordinatenmessgeräts miteinanderverbunden werden, wobei bei einem Auswechseln die Wechselschnittstelle des Sensorkopfs und die Schnittstelle des Koordinatenmessgeräts voneinander getrennt werden.
Ausführungsform 25: Koordinatenmessgerät nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Koordinatenmessgerät mindestens eine Sensorik eines chromatischen Weißlichtsensors aufweist, welche eingerichtet ist eine Information über einen Abstand zwischen mindestens einer Objektebene des Messobjekts zu dem Sensorkopf aus mindestens einem Detektionslichtstrahl zu bestimmen.
Ausführungsform 26: Koordinatenmessgerät nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Sensorik des chromatischen Weißlichtsensors mindestens ein Spektrometer aufweist, wobei das Spektrometer eingerichtet ist eine wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung aus dem Detektionslichtstrahl zu bestimmen.
Ausführungsform 27: Koordinatenmessgerät nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Sensorik des chromatischen Weißlichtsensors eingerichtet ist die wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung auszuwerten, wobei das Auswerten ein Bestimmen der Information über den Abstand zwischen mindestens einer Objektebene des Messobjekts zu dem Sensorkopf aus dem Detektionslichtstrahl umfasst.
Ausführungsform 28: Koordinatenmessgerät nach einer der vorhergehenden, ein Koordinatenmessgerät betreffenden Ausführungsformen, wobei das Koordinatenmessgerät mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweist.
Ausführungsform 29: Koordinatenmessgerät nach einer der vorhergehenden, ein Koordinatenmessgerät betreffenden Ausführungsformen, wobei die Auswerteeinheit mindestens eine Bildverarbeitungseinheit aufweist, wobei die Bildverarbeitungseinheit eingerichtet ist mindestens ein Signal umfassend mindestens eine Information über die mindestens eine Abbildung des Messobjekts zu empfangen und auszuwerten.
Ausführungsform 30: Koordinatenmessgerät nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Auswerten mindestens eine Bildanalyse umfasst.
Ausführungsform 31: Koordinatenmessgerät nach einer der vorhergehenden, ein Koordinatenmessgerät betreffenden Ausführungsformen, wobei das Koordinatenessgerät mindestens einen weiteren Lichtwellenleiter umfasst, welcher mit der Schnittstelle und der Auswerteeinheit verbunden ist, wobei der Lichtwellenleiter eingerichtet ist das mindestens eine Signal umfassend die mindestens eine Information über die mindestens eine Abbildung des Messobjekts und den Detektionslichtstrahl zu der Auswerteeinheit zu übertragen.
Ausführungsform 32: Verfahren zur Bestimmung mindestens einer 3D-Information mindestens eines Messobjekts, wobei in dem Verfahren mindestens ein Koordinatenmessgerät nach einer der vorhergehenden ein Koordinatenmessgerät betreffenden Ausführungsformen verwendet wird, wobei das Koordinatenmessgerät mindestens einen Sensorkopf nach einer der vorhergehenden, einen Sensorkopf betreffenden, Ausführungsformen umfasst.
Ausführungsform 33: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- -Bereitstellen mindestens eines Beleuchtungslichtstrahl mit mindestens einem Lichtwellenleiter des Sensorkopfes;
- -Einkoppeln des Beleuchtungslichtstrahls mit mindestens einer Koppelvorrichtung des Sensorkopfes in mindestens einen Messstrahlengang des Sensorkopfes, wobei der Messstrahlengang mindestens ein Objektiv aufweist, wobei die Koppelvorrichtung und/oder das Objektiv einen chromatischen Längsfehler aufweist;
- -Einkoppeln mindestens eines von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten Detektionslichtstrahl in den Lichtwellenleiter;
- -Erzeugen mindestens eines Signals umfassend mindestens eine Information über mindestens eine Abbildung des Messobjekts mit mindestens einer Abbildungsvorrichtung des Sensorkopfes;
- -Übertragen des Detektionslichtstrahls und des Signals umfassend die mindestens eine Information über die mindestens eine Abbildung des Messobjekts zu mindestens einer Wechselschnittstelle des Sensorkopfes, wobei die Wechselschnittstelle derart ausgestaltet ist, dass der Sensorkopf wechselbar ist.
Ausführungsform 34: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte umfasst:
- - Übertragen des Detektionslichtstrahls und des Signals umfassend die Information über die Abbildung des Messobjekts zu einer Auswerteeinheit mit mindestens einem weiteren Lichtwellenleiter des Koordinatenmessgeräts, welcher mit mindestens einer Schnittstelle des Koordinatenmessgeräts und der Auswerteeinheit verbunden ist;
- - Bestimmen mindestens einer Information über einen Abstand zwischen mindestens einer Objektebene des Messobjekts zu dem Sensorkopf aus dem Detektionslichtstrahl mit mindestens einer Sensorik eines chromatischen Weißlichtsensors;
- - Erzeugen mindestens einer Abbildung des Messobjekts aus dem Signal umfassend die Information über die Abbildung des Messobjekts;
- -Bestimmen der 3D-Information des Messobjekts aus der Information über den Abstand und der Abbildung des Messobjekts.

Figurenliste
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in der Figur schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen zeigt:

1 ein schematisches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorkopfes und Koordinatenmessgeräts.

Ausführungsbeispiele
1 zeigt in einer hoch schematischen Darstellung ein Koordinatenmessgerät 110 umfassend mindestens einen Sensorkopf 112 zum Erfassen mindestens einer 3D-Information mindestens eines Messobjekts 114. Beispielsweise kann das Messobjekt 114 ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus einem Prüfling, einem zu vermessenden Werkstück und einem zu vermessenden Bauteil. Insbesondere kann es sich bei dem Messobjekt 114 um ein flächiges Messobjekt handeln, beispielsweise mit einer ausgedehnten Oberfläche. Die Oberfläche kann zumindest teilweise reflektierend sein.
Der Sensorkopf 112 kann eingerichtet sein eine Information über mindestens eine transversale Koordinate des Messobjekts, beispielsweise eine x und/oder y -Koordinate, und über mindestens eine Höhenkoordinate des Messobjekts und/oder mindestens einen Abstand zu einer Objektebene des Messobjekts zu erfassen. Der Sensorkopf 112 kann eine optische Achse in Blickrichtung eines Objektivs 116 aufweisen. Die optische Achse kann eine Achse des Koordinatensystems sein, beispielsweise die z-Achse. Der Sensorkopf 112 kann eingerichtet sein eine Höhenkoordinate, auch Abstandskoordinate oder Abstand genannt, des Messobjekts 114 entlang der optischen Achse zu erfassen. Die Information über den Abstand kann beispielsweise eine Information über einen Abstand zwischen einem Bestimmungsort auf der Oberfläche des Messobjekts 114 und dem Sensorkopf 112 umfassen, beispielsweise ein Abstand zwischen dem Bestimmungsort und mindestens einem Element des Sensorkopfes 112, insbesondere dem Objektiv 116. Beispielsweise kann ein Bestimmungsort ein Messpunkt auf der Oberfläche des Messobjekts 114 sein. Senkrecht zu der z-Achse können weitere Achsen, beispielsweise x-Achse und y-Achse, vorgesehen sein.
Der Sensorkopf 112 kann eingerichtet sein, das Messobjekt 114 flächig zu vermessen. Der Sensorkopf 112 kann eingerichtet sein, das Messobjekt 114, insbesondere die Oberfläche und/oder eine Oberflächenkontur des Messobjekts 114, zu vermessen. Insbesondere kann Sensorkopf 112 ein berührungsloser Abstandssensor im Bereich der Koordinatenmesstechnik sein oder kann in einem berührungslosen Abstandssensor verwendet werden. Der Sensorkopf 112 kann eingerichtet sein, eine ausgedehnte, insbesondere nicht punktförmige, Oberfläche des Messobjekts 114 zu vermessen. Die Information über mindestens eine transversale Koordinate des Messobjekts 114 kann beispielsweise eine zwei-dimensionale Abbildung des Messobjekts 114 umfassen, insbesondere eine flächige Abbildung. Die Information über die Höhenkoordinate und/oder den Abstand zu einer Objektebene 118 des Messobjekts 114 kann eine Information über eine Vielzahl von Höhenkoordinaten und/oder Abständen zu Objektebenen 118 des Messobjekts 114 umfassen, insbesondere Höhenkoordinaten und/oder Abständen zu Objektebenen 118 des Messobjekts 114 von einer Vielzahl von Bestimmungsorten des ausgedehnten Bereichs des Messobjekts 114. Insbesondere kann der Sensorkopf 112 ein chromatischer Flächensensor und/oder ein chromatischer Rasterpunktsensor sein und/oder umfassen. Die 3D-Information kann mindestens eine 3D-Punktwolke umfassen.
Der Sensorkopf 112 kann eingerichtet sein mit dem Messobjekt 114 in Wechselwirkung zu treten und eine Antwort des Messobjekts 114 auf das in Wechselwirkung treten, beispielsweise einen von dem Messobjekt 114 in Antwort auf einen Beleuchtungslichtstrahl erzeugten Lichtstrahl, zu erfassen. Der Sensorkopf 112 kann eingerichtet sein mindestens ein Signal, beispielsweise ein elektronisches oder optisches Signal, insbesondere einen Detektionslichtstrahl, zu erzeugen. Der Sensorkopf 112 kann mit einer Sensorik, beispielsweise des Koordinatenmessgeräts, verbunden sein, welche eine Messung der 3D-Information erzeugt. Der Sensorkopf 112 kann wechselbar, insbesondere ein- und auswechselbar ausgestaltet sein. Der Sensorkopf 112 kann, wie weiter unten ausgeführt, mindestens eine Wechselschnittstelle 120 aufweisen. Der Sensorkopf 112 kann mittels der Wechselschnittstelle 120 an das Koordinatenmessgerät 110, insbesondere eine Schnittstelle des Koordinatenmessgeräts 110 ein- und ausgewechselt werden. Insbesondere kann der Sensorkopf 112 maschinell wechselbar sein. Auch eine manuelle Ein- oder Auswechslung kann möglich sein.
Der Sensorkopf 112 weist mindestens einen Messstrahlengang 124 mit dem mindestens einen Objektiv 116 auf. Der Sensorkopf 112 weist mindestens einen Lichtwellenleiter 126 auf. Der Lichtwellenleiter 126 ist eingerichtet mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl bereitzustellen. Der Sensorkopf 112 weist mindestens eine Koppelvorrichtung 128 auf, welche eingerichtet ist den Beleuchtungslichtstrahl in den Messstrahlengang 124 einzukoppeln und mindestens einen von dem Messobjekt 114 in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten Detektionslichtstrahl in den Lichtwellenleiter 126 einzukoppeln. Die Koppelvorrichtung 128 weist einen chromatischen Längsfehler auf. Der Sensorkopf 112 weist mindestens eine Abbildungsvorrichtung 130 auf, welche eingerichtet ist mindestens ein Signal umfassend mindestens eine Information über mindestens eine Abbildung des Messobjekts 114 zu erzeugen. Der Sensorkopf 112 weist die mindestens eine Wechselschnittstelle 120 auf, welche derart ausgestaltet ist, dass der Sensorkopf 112 wechselbar ist. Der Lichtwellenleiter 126 ist eingerichtet den Detektionslichtstrahl und das Signal umfassend die mindestens eine Information über die mindestens eine Abbildung des Messobjekts 114 zu der Wechselschnittstelle 120 zu übertragen.
Der Lichtwellenleiter 126 kann mindestens eine Faser, beispielsweise einer polymere optische Faser, aufweisen. Der Lichtwellenleiter 126 kann einen lichtführenden Kern aufweisen, welcher von einem Mantel umgeben ist. Der Mantel kann einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen als der Kern. Der Lichtwellenleiter 126 kann als Monomodefaser oder als Multimodefaser ausgestaltet sein. Der Lichtwellenleiter 126 ist eingerichtet mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl bereitzustellen. Der Lichtwellenleiter 126 kann eingerichtet sein mindestens einen von einer, hier nicht dargestellten, Beleuchtungsvorrichtung erzeugten Beleuchtungslichtstrahl zur Beleuchtung des Messobjekts 114 bereitzustellen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine RGB-Lichtquelle und/oder mindestens eine Weißlichtquelle aufweisen.
Der Messstrahlengang 124 kann einen Beleuchtungsstrahlengang und einen Detektionsstrahlengang aufweisen. Der Beleuchtungsstrahlengang und der Detektionsstrahlengang können identisch oder verschieden ausgestaltet sein. Der Sensorkopf 112 weist die mindestens eine Koppelvorrichtung 128 auf, welche eingerichtet ist den Beleuchtungslichtstrahl in den Messstrahlengang 124 einzukoppeln und mindestens einen von dem Messobjekt 114 in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten Detektionslichtstrahl in den Lichtwellenleiter 126 einzukoppeln. Die Koppelvorrichtung 128 kann mindestens einen Strahlteiler 132 aufweisen, beispielsweise einen dünnen Strahlteiler. Dünne Strahlteiler, beispielsweise so genannte Pellicles, können auf Foliensubstrate aufgebrachte Schichten sein. Alternativ können dünne Strahlteiler Glas- und Quartzsubstrate von beispielsweise etwa 1mm und dünner aufweisen. Die Verwendung eines dünnen Strahlteilers kann eine hohe Abbildungsqualität eines Abbildungsstrahlengangs zur Abbildungsvorrichtung gewährleisten. Die Koppelvorrichtung 128 und/oder das Objektiv 116 können einen chromatischen Längsfehler aufweisen. Die Koppelvorrichtung 128 kann mindestens eine Optik 134 aufweisen, beispielsweise eine Linse und/oder ein Linsensystem, welches einen chromatischen Längsfehler aufweist. Der chromatische Längsfehler der Koppelvorrichtung 128 kann das 10 bis 100 fache einer Fokustiefe des Objektivs 116 betragen. Teile des Messstrahlengangs 124 und/oder des Abbildungsstrahlengangs können in Scheimpflug-Ausrichtung realisiert sein, so dass eine Linien-Sensorik und/oder ein Linien-Verfahren möglich sind.
Das Objektiv 116 kann chromatisch aberrative Eigenschaften aufweisen, insbesondere einen chromatischen Längsfehler. Das Objektiv 116 kann mindestens ein optisches Element aufweisen. Das optische Element kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einer Linse, mindestens einem Linsensystem. Das Linsensystem kann eine Mehrzahl von Linsen aufweisen. Das Objektiv 116 kann beidseitig telezentrisch sein. Das Objektiv 116 kann eine Stirnseite 136 aufweisen. Das Objektiv 116 kann eine Rückseite 138 aufweisen, welche dem Messobjekt abgewandt ist. Das Objektiv 116 kann eingerichtet sein mindestens eine Objektebene 118 des Messobjekts 114 auf eine erste Zwischenebene 140 abzubilden, vorzugsweise chromatisch korrigiert.
Der Beleuchtungslichtstrahl kann von beispielsweise der Weißlichtquelle über den Lichtwellenleiter 126 zu der Koppelvorrichtung 128 geleitet werden. Die Optik 134 der Koppelvorrichtung 128 kann das weiße Ausgangsspektrum des Beleuchtungslichtstrahls abhängig von der Wellenlänge in verschiedenen Fokustiefen fokussieren. Durch den Strahlteiler 132 kann der Beleuchtungslichtstrahl in den Messstrahlengang 124 umfassend das Objektiv 116 eingekoppelt werden und von dem Objektiv 116 auf mindestens eine Objektebene 118 fokussiert werden. In dem Messstrahlengang 124 kann für mindestens eine Wellenlänge eines Beleuchtungslichtstrahls ein Beleuchtungsstrahlengang und ein Detektionsstrahlengang konfokal sein. Insbesondere kann bevorzugt Licht der Wellenlänge in den Lichtwellenleiter 126 reflektiert und/oder eingekoppelt werden, für das die Oberfläche im Brennpunkt liegt. Insbesondere kann für mindestens eine Wellenlänge des Beleuchtungslichtstrahls die Bedingung erfüllt sein, dass sich ein erster Fokus des Beleuchtungslichtstrahls auf einem Bestimmungsort auf der Oberfläche des Messobjekts 114 befindet und sich gleichzeitig ein zweiter Fokus des Detektionslichtstrahls an einem Punkt in einer Apertur des Lichtwellenleiters 126 befindet.
Der Sensorkopf 112 weist die mindestens eine Abbildungsvorrichtung 130 auf, welche eingerichtet ist das mindestens eine Signal umfassend mindestens eine Information über die mindestens eine Abbildung des Messobjekts 114 zu erzeugen. Die Abbildungsvorrichtung 130 kann mindestens eine Kamera 142 aufweisen. Die Abbildungsvorrichtung 130 kann eingerichtet sein eine flächige Abbildung des Messobjekts 114 zu erzeugen. Die Abbildungsvorrichtung 130 kann mindestens ein pixeliertes Sensorelement aufweisen. Beispielsweise kann die Abbildungsvorrichtung 130 mindestens eine CMOS-Kamera und/oder eine CCD-Kamera aufweisen. Die Abbildungsvorrichtung 130 kann eingerichtet sein ein digital-optisches Signal, beispielsweise Bilddaten, in Antwort auf eine Beleuchtung zu erzeugen. Der Lichtwellenleiter 126 kann eingerichtet sein zu einer optischen Datenübertragung. Die Übertragung der Digital-Daten im nahen Infrarot kann über Lichtwellenleiter 152 mit der Übertragung der „Analog-Daten“ des Spektrometers im Visuellen gemeinsam über den Lichtwellenleiter 126 zur Schnittstelle 120 geleitet werden. Danach können die Digital-Daten und die Analog-Daten über Lichtwellenleiter 162 und anschließend Wellenlängentrennung auf die getrennten Auswerteeinheiten 160 und 158 übertragen werden.
Der Sensorkopf 112 kann mindestens eine Relais-Optik 144 aufweisen, welche eingerichtet ist die Abbildung der Objektebene 118 auf der ersten Zwischenebene 140 auf eine zweite Zwischenebene 146 der Abbildungsvorrichtung 130 abzubilden. Die Relais-Optik 144 kann mindestens eine Relay-Linse und/oder ein System von Relay-Linsen aufweisen. Ein Strahlengang der Relais-Optik 144, auch als Abbildungsstrahlengang oder Relaisstrahlengang bezeichnet, kann zweifach abgewinkelt sein. Eine zweifach-abgewinkelte Ausgestaltung ist vorteilhaft, da so eine möglichst Kompakte Ausgestaltung des Sensorkopfs 112 möglich ist. Dieses kann weiter vorteilhaft hinsichtlich Trägheitsmomenta, welche der Sensorkopf 112 darstellt, und welche bei Drehachsapplikationen von Bedeutung sein kann. Der Sensorkopf 112 kann mindestens eine zweite Koppelvorrichtung 148, die beispielsweise einen zweiten Strahlteiler aufweist, aufweisen, welche eingerichtet ist eine konjugierte Bildebene 150 einzukoppeln. Die konjungierte Bildebene 150 kann mindestens eine weitere Kamera aufweisen, welche beispielsweise eine andere Pixelanzahl aufweist als die Abbildungsvorrichtung. Die konjugierte Bildebene 150 kann mindestens eine Hellfeldbeleuchtung und/oder mindestens eine weitere RGB-Kamera und/oder mindestens eine Hyperspektralkamera aufweisen. Bei Verwendung einer zusätzlichen RGB-Kamera und/oder einer Hyperspektralkamera kann vorzugsweise das Objektiv 116 chromatisch aberrative Eigenschaften aufweisen, insbesondere einen chromatischen Lengsfehler. Der chromatische Längsfehler des Objektivs 116 kann beispielsweise 1 bis 10 Fokustiefen des Objektivs 116 betragen. Bei Verwendung einer RGB-Kamera kann die Beleuchtungsvorrichtung mindestens eine RGB-Lichtquelle aufweisen. Bei Verwendung einer Hyperspektralkamera kann die Beleuchtungsvorrichtung mindestens eine echte Weißlichtquelle aufweisen mit einem kontinuierlichen Spektrum.
Der Lichtwellenleiter 126 kann eingerichtet sein den Detektionslichtstrahl und das Signal umfassend die mindestens eine Information über die mindestens eine Abbildung des Messobjekts 114 zu der Wechselschnittstelle 120 zu übertragen. Die von der Abbildungsvorrichtung 130 und/oder von der weiteren RGB-Kamera und/oder von der Hyperspektralkamera aufgenommenen Daten können vorzugsweise über eine digital-optische Verbindung mittels des Lichtleiters und/oder eines weiteren Lichtleiters 152 zu einer Auswerteeinheit 154, insbesondere einem Bildverarbeitungsrechner, übertragen werden. Die Abbildungsvorrichtung 130 kann mit dem weiteren Lichtwellenleiter 152 verbunden sein. Beispielsweise kann der Sensorkopf 112 den weiteren Lichtwellenleiter 152 aufweisen, welcher mit der Abbildungsvorrichtung 130 verbunden ist und welcher beispielsweise mit dem Lichtwellenleiter 126 verbunden werden kann, beispielsweise durch Spleißen.
Der Lichtwellenleiter 126 kann eingerichtet sein zu einer optischen Datenübertragung. Der Lichtwellenleiter 126 kann eingerichtet sein mindestens zwei Signale mit verschiedenen Wellenlängen zu übertragen. Der Lichtwellenleiter 126 kann eingerichtet sein ein erstes Signal mit einer ersten Wellenlänge zu übertragen und ein zweites Signal mit einer zweiten Wellenlänge zu übertragen, wobei die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge voneinander verschieden sind. Bevorzugt kann die optische Datenübertragung in einem von dem Detektionslichtstrahl getrennten Wellenlängenbereich, beispielsweise im nahen Infrarot, erfolgen. Dieses erlaubt mit wenigen Lichtwellenleitern und nur einer Wechselschnittstelle auszukommen. Der Beleuchtungslichtstrahl, und damit auch der Detektionslichtstrahl, und das Signal umfassend die Information über die Abbildung des Messobjekts können verschiedene Wellenlängen aufweisen. Der Beleuchtungslichtstrahl kann eine Wellenlänge im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts aufweisen. Das Signal umfassend die Information über das Messobjekt 114 kann eine Wellenlänge im nahen Infrarot aufweisen. Insbesondere kann der Lichtwellenleiter eingerichtet sein, den Detektionslichtstrahl und das Signal umfassend mindestens eine Information über eine Abbildung des Messobjekts 114 gleichzeitig zu übertragen.
Der Sensorkopf 112 kann die mindestens eine Wechselschnittstelle 120 aufweisen. Die Wechselschnittstelle 120 kann eingerichtet sein den Sensorkopf 112 und die Schnittstelle 122 des Koordinatenmessgeräts 110 elektrisch und/oder mechanisch zu verbinden. Beispielsweise kann das Koordinatenmessgerät 110 die mindestens eine Schnittstelle 122 mit mindestens einer Aufnahme und/oder Halterung aufweisen, welche zum Einwechseln und Auswechseln des Sensorkopfes und/oder zur Positionierung des Sensorkopfes 112 und/oder zur Befestigung des Sensorkopfes 112 eingerichtet sind. Über die Wechselschnittstelle 120 des Sensorkopfes 112 und die Schnittstelle 122 des Koordinatenmessgeräts 110 hinweg können elektrische Versorgungsleitung, Kommunikationsschnittstellen, optische Schnittstellen und andere Schnittstellen vorgesehen sein, so dass beispielsweise eine Versorgung der elektronischen Komponenten des Sensorkopfes 112 mit Energie und eine Bereitstellung des Beleuchtungslichtstrahls möglich sind. Die Kommunikationsschnittstellen können eingerichtet sein, einen Datentransfer von dem Sensorkopf 112 zu beispielsweise der Auswerteeinheit 154 oder einem Messsystem des Koordinatenmessgeräts 110 ermöglichen und/oder eine Steuerung des Sensorkopfes 112 durch eine Steuereinheit des Koordinatenmessgeräts 110 zu ermöglichen. Eine mechanische Verbindung und/oder Kopplung kann beispielsweise unter Verwendung von mindestens einem Befestigungselement realisiert werden, beispielsweise einem Dreipunktlager. Die Wechselschnittstelle 120 kann maschinell wechselbar ausgestaltet sein, derart, dass ein automatischer und/oder maschineller Wechsel des Sensorkopfes 112 möglich ist. Beispielsweise können eine Mehrzahl von Sensorköpfen 112, beispielweise für verschiedene Messaufgaben, in einem Magazin auf jeweils einem Magazinplatz angeordnet sein und/oder können auf diesem angeordnet werden. Die Wechselschnittstelle 120 des Sensorkopfes 112 und die Schnittstelle 122 des Koordinatenmessgeräts 110 können derart ausgestaltet sein, dass das Koordinatenmessgerät 110 bei einem Einwechseln des Sensorkopfes 112 aus dem Magazin den gewünschten Magazinplatz anfährt und durch eine senkrechte Bewegung den Sensorkopf 112 in das Dreipunktlager ankoppelt, beispielsweise unter Verwendung einer magnetischen Haltervorrichtung.
Das Objektiv 116 kann mindestens eine zweite Wechselschnittstelle 156 aufweisen. Die zweite Wechselschnittstelle 156 kann an der Stirnseite 136 des Objektivs 116 angeordnet sein. Die zweite Wechselschnittstelle 156 kann eingerichtet sein zum Ein- und/oder Auswechseln mindestens eines Elements ausgewählt aus der Gruppe bestehen aus: einer Vorsatzoptik, einer Vorsatzbeleuchtung, einem brechenden Element, einem diffraktiven Element, einem spiegelnden Element, einem streuenden Element, einer katadiopotischen Optik, einer Polarisationsoptik. Die zweite Wechselschnittstelle 156 kann dazu dienen Vorsatz-Optiken und/oder -Beleuchtungen machinenwechselbar aufzunehmen. Beispielsweise kann die zweite Wechselschnittstelle 156 wie in DE 10 2017 203 044 B3 beschrieben ausgestaltet sein. Die zweite Wechselschnittstelle 156 kann an einer Objektivhalterung angeordnet sein. Insbesondere kann die zweite Wechselschnittstelle 156 unabhängig von dem Objektiv 116 ausgestaltet sein. Bevorzugt ist die zweite Wechselschnittstelle 156 nicht direkt mit dem Objektiv 116 verbunden. Das Objektiv 116 kann ein C-Mountobjektiv sein. Eine Ausgestaltung als C-Mountobjektiv kann erlauben ein breites Spektrum an Objektiven, beispielsweise mit unterschiedlichen Vergrößerungen, Arbeitsabständen, Auflösungsvermögen, Sichtfeldern und chromatischen Eigenschaften zu verwenden, so dass ein breites Kundenanforderungs- und Kundenpreisbereitschaftsspektrum mit weitgehend modularisiertem Gleichteil-Baukasten bedient werden kann. Auch für thermische Aspekte ist eine Trennung der zweiten Wechselschnittstelle 156 von dem Objektiv 116 vorteilhaft, insbesondere wenn die zweite Wechselschnittstelle Beleuchtungskomponenten tragen und betreiben soll. So kann ein Wärmeeintrag in die Optik bei getrennter Schnittstelle leichter zu bewerkstelligen sein. Die zweite Wechselschnittstelle 156 kann eine Durchleitung von Strom und/oder von Daten erlauben. Eine Ausgestaltung, in welcher die zweite Wechselschnittstelle 156 zur Durchleitung von Daten eingerichtet ist, kann erlauben Controllerfunktionen in die Lichtquelle vor zu verlagern. Dadurch kann eine Menge von Wechselschnittstellenkontakten begrenzt werden, wenn beispielsweise unterschiedliche Beleuchtungssettings geschaltet und/oder geregelt werden können.
Das Koordinatenmessgerät 110 kann ein Portalmessgerät oder ein Brückenmessgerät sein. Das Koordinatenmessgerät 110 kann einen Messtisch zur Auflage des Messobjekts 114 aufweisen. Das Koordinatenmessgerät 110 kann mindestens ein Portal aufweisen, welches mindestens eine erste vertikale Säule, mindestens eine zweite vertikale Säule und eine die erste vertikale Säule und die zweite vertikale Säule verbindende Traverse aufweist. Das Koordinatenmessgerät 110 kann ein Koordinatensystem, beispielsweise ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem, aufweisen. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann beispielsweise durch einen Sensor des Koordinatenmessgeräts 110 gegeben sein. Eine x-Achse kann senkrecht zur y-Achse, in einer Ebene der Auflagefläche des Messtischs verlaufen. Senkrecht zu der Ebene der Auflagefläche, in eine vertikale Richtung, kann sich eine z-Achse erstrecken. Die vertikalen Säulen können sich entlang der z-Achse erstrecken. Die Traverse kann sich entlang der x-Achse erstrecken.
Das Koordinatenmessgerät 110 kann mindestens einen Messschlitten aufweisen, welcher entlang der Traverse beweglich gelagert ist. In dem Messschlitten kann eine in eine vertikale Richtung, beispielsweise entlang der z-Achse, bewegliche Pinole gelagert sein. An einem unteren Ende, insbesondere einem in Richtung Auflagefläche zeigenden Ende, der Pinole kann der Sensorkopf 112, mit welchem eine Oberfläche des Messobjekts 114 abgetastet werden kann, angeordnet sein.
Die Bewegung der Elemente des Koordinatenmessgeräts 110 kann manuell und/oder automatisch betrieben und/oder eingestellt und/oder verstellt werden. Das Koordinatenmessgerät 110 kann mindestens einen Antrieb aufweisen, beispielsweise mindestens einen Motor. Das Koordinatenmessgerät 110 kann eine Steuerungseinheit aufweisen, welche eingerichtet ist, die Bewegung zu steuern und/oder zu regeln. Die Steuerungseinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur und/oder ein Bedienpult.
Das Koordinatenmessgerät 110 weist die mindestens eine Schnittstelle 122 zum Ein- und/oder Auswechseln des mindestens einen Sensorkopfs 112 auf. Die Schnittstelle 122 kann mindestens einer Aufnahme und/oder Halterung aufweisen, welche zum Einwechseln und Auswechseln des Sensorkopfes 112 und/oder zur Positionierung des Sensorkopfes 112 und/oder zur Befestigung des Sensorkopfes 112 eingerichtet ist. Bei einem Einwechseln können die Wechselschnittstelle 120 des Sensorkopfs 112 und die Schnittstelle 122 des Koordinatenmessgeräts 110 miteinanderverbunden werden, wobei bei einem Auswechseln die Wechselschnittstelle 120 des Sensorkopfs 112 und die Schnittstelle 122 des Koordinatenmessgeräts 110 voneinander gentrennt werden. Über die Wechselschnittstelle 120 des Sensorkopfes 112 und die Schnittstelle 122 des Koordinatenmessgeräts 110 hinweg können elektrische Versorgungsleitung, Kommunikationsschnittstellen, optische Schnittstellen und andere Schnittstellen vorgesehen sein und so beispielsweise eine Versorgung der elektronischen Komponenten des Sensorkopfes 112 mit Energie und/oder eine Bereitstellung des Beleuchtungslichtstrahls und/oder einen Datentransfer von dem Sensorkopf 112 zu beispielsweise der Auswerteeinheit 154 ermöglichen. Eine mechanische Verbindung und/oder Kopplung kann beispielsweise unter Verwendung von mindestens einem Befestigungselement realisiert werden, beispielsweise einem Dreipunktlager der Schnittstelle.
Das Koordinatenmessgerät 110 weist die mindestens eine Auswerteeinheit auf 154. Die Auswerteeinheit 154 kann von dem Sensorkopf erzeugte Signale auswerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem Sensorkopf 112 und der Auswerteeinheit 154 vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit 154 kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um den Sensorkopf anzusteuern. Die Auswerteeinheit 154 kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/AusgabeVorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Auswerteeinheit 154 kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar.
Die Auswerteeinheit 154 kann mindestens eine Bildverarbeitungseinheit 158 aufweisen. Die Bildverarbeitungseinheit 158 kann eingerichtet sein das Signal umfassend die Information über die Abbildung des Messobjekts 114 zu empfangen und auszuwerten. Das Auswerten kann mindestens eine Bildauswertung und/oder Bildanalyse umfasst. Typische Applikationen können beispielsweise „Form und Lage“ sein, d.h. eine Feststellung von Abweichungen eines Merkmals des Messobjektes von dessen Soll-Position im Koordinatensystem des Werkstückes oder seiner Soll-Form (z.B. Rundheitsabweichung).
Das Koordinatenmessgerät 110 kann mindestens eine Sensorik 160 eines chromatischen Weißlichtsensor aufweisen, welche eingerichtet ist eine Information über einen Abstand zwischen mindestens einer Objektebene 118 des Messobjekts 114 zu dem Sensorkopf 112 aus dem Detektionslichtstrahl zu bestimmen. Die Sensorik 160 des chromatischen Weißlichtsensors kann mindestens ein Spektrometer aufweisen. Das Spektrometer kann eingerichtet sein eine wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung zu bestimmen. Die Sensorik 160 des chromatischen Weißlichtsensors kann eingerichtet sein die wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung Messsignal zu erfassen und auszuwerten. Das Auswerten kann ein Bestimmen der Information über den Abstand zwischen mindestens einer Objektebene 118 des Messobjekts 114 zu dem Sensorkopf 112 aus dem Detektionslichtstrahl umfassen. Das Spektrometer und/oder die Auswerteeinheit 154 kann eingerichtet sein ein Intensitätsmaximum der wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung zu bestimmen, dem Intensitätsmaximum eine Wellenlänge zu zuordnen und aus der zugeordneten Wellenlänge eine Fokusebene und so Höhenkoordinate und/oder einen Abstand zu bestimmen.
Das Koordinatenmessgerät 110 kann die mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweisen. Beispielsweise kann, wie oben ausgeführt, die Beleuchtungsvorrichtung die mindestens eine Weißlichtquelle aufweisen.
Das Koordinatenmessgerät 110 kann mindestens einen Lichtwellenleiter 162 umfassen, welcher mit der Schnittstelle 122 und der Auswerteeinheit 154 verbunden ist. Der Lichtwellenleiter 162 kann eingerichtet sein das Signal umfassend die Information über die Abbildung des Messobjekts 114 und den Detektionslichtstrahl von der Schnittstelle 122 zu der Auswerteeinheit 154 zu übertragen.
Beispielsweise kann das Koordinatenmessgerät 110 eingerichtet sein eine 3D-Punktewolke folgendermaßen zu bestimmen. Mit dem Relaisstrahlengang kann eine bestmöglich fokussierte Ebene auf die Abbildungsvorrichtung 130 abgebildet werden. Die Sensorik 160 des chromatischen Weißlichtsensors kann hochgenau den Abstand eines achsnahen Objektfeldpunktes relativ zu dem Sensorkopf 112 bestimmen. Die weitere RGB-Kamera und/oder die Hyperspektralkamera kann eine unterabgerasterte Kopie eines Bildes von der Abbildungsvorrichtung 130 erzeugen. Die unterabgerasterte Kopie kann für nicht unterabgerasterte Objektinhalte eine Höheninformation enthalten, welche daraus resultiert, dass der jeweilige Objektinhalt als Funktion der Höhe in der Objektebene bei unterschiedlichen Farben scharf abgebildet wird. Hinsichtlich einer Topographiemessung mit einer Hyperspektralkamera wird beispielsweise auf http://oimv.de/oimv.pdf, Seiten 306 ff. verwiesen. Das Koordinatenmessgerät 110 kann eingerichtet sein mehrere Abbildungen mit leicht unterschiedlicher Position des Sensorkopfs 112 relativ zu dem Messobjekt 114 aufzunehmen. Beispielsweise können Abbildungen an derart vielen Positionen des Sensorkopfes 112 aufgenommen werden, dass eine Unterabtastung der weiteren RGB-Kamera und/oder der Hyperspektralkamera kompensiert wird. Die Auswerteeinheit 130 kann eingerichtet sein die Bilder, bzw. Bildsätze der Abbildungsvorrichtung und der weiteren RGB-Kamera und/oder der Hyperspektralkamera zu vergleichen und so einen Farbgang des Messobjekts 114 zu ermitteln. Dieser kann beispielsweise für eine hochgenaue Kantendetektion verwendet werden und/oder zu einer Kalibrationsüberwachung des Objektivs 116.
Bezugszeichenliste

110: Koordinatenmessgerät
112: Sensorkopf
114: Messobjekt
116: Objektiv
118: Objektebene
120: Wechselschnittstelle
122: Schnittstelle
124: Messstrahlengang
126: Lichtwellenleiter
128: Koppelvorrichtung
130: Abbildungsvorrichtung
132: Strahlteiler
134: Optik
136: Stirnseite
138: Rückseite
140: Erste Zwischenebene
142: Kamera
144: Relais-Optik
146: Zweite Zwischenebene
148: Zweite Koppelvorrichtung
150: Konjugierte Bildebene
152: Weiterer Lichtleiter
154: Auswerteeinheit
156: Zweite Wechselschnittstelle
158: Bildverarbeitungseinheit
160: Sensorik
162: Lichtwellenleiter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/023344 A1 [0006]
DE 102017203044 B3 [0031, 0065]

Claims

Sensorkopf (112) zum Erfassen mindestens einer 3D-Information mindestens eines Messobjekts (114), wobei der Sensorkopf (112) mindestens einen Messstrahlengang (124) mit mindestens einem Objektiv (116) aufweist, wobei der Sensorkopf (112) mindestens einen Lichtwellenleiter (126) aufweist, welcher eingerichtet ist mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl bereitzustellen, wobei der Sensorkopf (112) mindestens eine Koppelvorrichtung (128) aufweist, welche eingerichtet ist den Beleuchtungslichtstrahl in den Messstrahlengang (124) einzukoppeln und mindestens einen von dem Messobjekt (114) in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten Detektionslichtstrahl in den Lichtwellenleiter (126) einzukoppeln, wobei die Koppelvorrichtung (128) einen chromatischen Längsfehler aufweist, wobei der Sensorkopf (112) mindestens eine Abbildungsvorrichtung (130) aufweist, welche eingerichtet ist mindestens ein Signal umfassend mindestens eine Information über mindestens eine Abbildung des Messobjekts (114) zu erzeugen.
Sensorkopf (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Sensorkopf (112) mindestens eine Wechselschnittstelle (120) aufweist, welche derart ausgestaltet ist, dass der Sensorkopf (112) wechselbar ist, wobei der Lichtwellenleiter (126) eingerichtet ist den Detektionslichtstrahl und das Signal umfassend die Information über die Abbildung des Messobjekts (114) zu der Wechselschnittstelle (120) zu übertragen.
Sensorkopf (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Beleuchtungslichtstrahl und das Signal umfassend die Information über die Abbildung des Messobjekts (114) verschiedene Wellenlängen aufweisen.
Sensorkopf (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Beleuchtungslichtstrahl eine Wellenlänge im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts aufweist, wobei das Signal umfassend die Information über die Abbildung des Messobjekts (114) eine Wellenlänge im nahen Infrarot aufweist.
Sensorkopf (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Objektiv (116) eingerichtet ist mindestens eine Objektebene (118) des Messobjekts (114) auf eine erste Zwischenebene (140) abzubilden, wobei der Sensorkopf (112) mindestens eine Relais-Optik (144) aufweist, welche eingerichtet ist die Abbildung der Objektebene (118) auf der ersten Zwischenebene (140) auf eine zweite Zwischenebene (146) der Abbildungsvorrichtung (130) abzubilden, wobei ein Strahlengang der Relais-Optik (144) zweifach abgewinkelt ist.
Sensorkopf (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Koppelvorrichtung (128) mindestens eine Optik (134) aufweist, welche chromatischen Längsfehler aufweist, wobei der chromatische Längsfehler der Koppelvorrichtung (128) das 10 bis 100 fache einer Fokustiefe des Objektivs (116) beträgt.
Sensorkopf (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Objektiv (116) mindestens eine zweite Wechselschnittstelle (156) aufweist, wobei die zweite Wechselschnittstelle (156) an einer Stirnseite (136) des Objektivs (116) angeordnet ist, wobei die zweite Wechselschnittstelle (156) eingerichtet ist zum Ein- und/oder Auswechseln mindestens eines Elements ausgewählt aus der Gruppe bestehen aus: einer Vorsatzoptik, einer Vorsatzbeleuchtung, einem brechenden Element, einem diffraktiven Element, einem spiegelnden Element, einem streuenden Element, einer katadiopotischen Optik, einer Polarisationsoptik.
Koordinatenmessgerät (110) umfassend mindestens einen Sensorkopf (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Koordinatenmessgerät (110) mindestens eine Schnittstelle (122) zum Ein- und/oder Auswechseln des mindestens eines Sensorkopfs (112) aufweist, wobei das Koordinatenmessgerät (110) mindestens eine Auswerteeinheit (154) aufweist.
Koordinatenmessgerät (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Koordinatenmessgerät (110) mindestens eine Sensorik (160) eines chromatischen Weißlichtsensors aufweist, welche eingerichtet ist eine Information über einen Abstand zwischen mindestens einer Objektebene (118) des Messobjekts (114) zu dem Sensorkopf (112) aus mindestens einem Detektionslichtstrahl zu bestimmen, wobei die Auswerteeinheit (154) mindestens eine Bildverarbeitungseinheit (158) aufweist, wobei die Bildverarbeitungseinheit (158) eingerichtet ist mindestens ein Signal umfassend mindestens eine Information über die mindestens eine Abbildung des Messobjekts (114) zu empfangen und auszuwerten.
Verfahren zur Bestimmung mindestens einer 3D-Information mindestens eines Messobjekts (114), wobei in dem Verfahren mindestens ein Koordinatenmessgerät (110) nach einem der vorhergehenden, ein Koordinatenmessgerät betreffenden, Ansprüche verwendet wird, wobei das Koordinatenmessgerät (110) mindestens einen Sensorkopf (112) nach einem der vorhergehenden, einen Sensorkopf betreffenden, Ansprüche umfasst.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen mindestens eines Beleuchtungslichtstrahl mit mindestens einem Lichtwellenleiter (126) des Sensorkopfes (112); - Einkoppeln des Beleuchtungslichtstrahls mit mindestens einer Koppelvorrichtung (128) des Sensorkopfes (112) in mindestens einen Messstrahlengang (124) des Sensorkopfes (112), wobei der Messstrahlengang (124) mindestens ein Objektiv (116) aufweist, wobei die Koppelvorrichtung (128) und/oder das Objektiv (116) einen chromatischen Längsfehler aufweist; - Einkoppeln mindestens eines von dem Messobjekt (114) in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten Detektionslichtstrahl in den Lichtwellenleiter (126); - Erzeugen mindestens eines Signals umfassend mindestens eine Information über mindestens eine Abbildung des Messobjekts (114) mit mindestens einer Abbildungsvorrichtung (130) des Sensorkopfes (112); - Übertragen des Detektionslichtstrahls und des Signals umfassend die mindestens eine Information über die mindestens eine Abbildung des Messobjekts (114) zu mindestens einer Wechselschnittstelle (120) des Sensorkopfes (112), wobei die Wechselschnittstelle (120) derart ausgestaltet ist, dass der Sensorkopf (112) wechselbar ist.