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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem, ein optisches Messgerät und ein Verfahren zur metrologischen Vermessung von Werkstücken.
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Beleuchtungssystem und optische Messgeräte zur metrologischen Vermessung von Werkstücken sind hinlänglich bekannt, siehe hierzu zum Beispiel
EP 1 348 986 A2 ,
US 7,016,053 B2 ,
US 7,016,525 B2 und
US 2003/0231494 A1 . In allen diesen genannten Patentdokumenten werden unterschiedliche Ansätze verfolgt, den Kontrast von schwarz-weiß-Aufnahmen (nachfolgend s/w) des Werkstücks durch Beeinflussung der farbigen Beleuchtung des Werkstücks zu erhöhen.
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Hintergrund hierfür ist, dass für die metrologische Vermessung von Werkstücken in der Regel die maximale Auflösung des eingesetzten Kamerasensors genutzt wird und somit auf die Farbfilterung des Kamerasensors und die damit verbundene Aufteilung der Pixelanzahl auf die verschiedenen RGB-Kanäle zum Beispiel durch ein Bayer-Filter, siehe hierzu
US 3,971,065 , verzichtet wird. Auch die bestehenden Probleme der unterschiedlichen Interpolation der RGB-Pixelwerte beim Einsatz eines Bayer-Filters werden hierdurch vermieden.
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Allerdings zeigt es sich empirisch, dass der Kontrast einer s/w-Aufnahmen eines Sensors von der Wellenlänge und damit von der Farbe des Beleuchtungslichtes des Werkstücks abhängt.
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Grundsätzlich wäre es natürlich denkbar, ein Simulationsmodel für verschiedene Werkstücke mit unterschiedlichen Formen aus verschiedenen Materialien bei unterschiedlich bearbeiteten Oberflächen zu erstellen, welches das Farbspektrum des Beleuchtungssystems bei den gegebenen geometrischen Abständen zwischen dem Beleuchtungssystem, dem zu vermessenden Werkstück und dem eingesetzten Sensor, sowie die Grauwertsensitivität der Sensorpixel in Abhängigkeit des vom Werkstück zurück reflektierten Farbspektrums berücksichtigt. Jedoch würde ein solches Simulationsmodell aufgrund der vielen Einflussgrößen sehr komplex, aufwändig und aufgrund der notwendigen Entwicklungskapazität kostenintensiv. Die Marktteilnehmer behelfen sich daher mit empirischen Methoden, bei denen die optimale Beleuchtungssituation für ein gegebenes Werkstück und ein gegebenes Messgerät bei der ersten Vermessung des Werkstücks durch den Kunden schlichtweg ausprobiert wird.
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Selbstverständlich sind hierbei Möglichkeiten willkommen, bei denen das Farbspektrum des Beleuchtungslichtes möglichst schnell manipuliert werden kann, so dass der Kunde beim Ausprobieren des optimalen Beleuchtungs- bzw. Aufnahmesettings für sein bearbeitetes Werkstück möglichst wenig Zeit verliert.
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Allerdings muss hierbei berücksichtigt werden, dass bei einer entsprechenden Einengung des Wellenlängenspektrums des Beleuchtungslichtes gleichzeitig die Belichtungszeit für eine einzelne Aufnahme erhöht wird, da aufgrund des nicht zu vernachlässigendem Kamerarauschens eine Mindest-Belichtungsmenge an Licht pro Pixel des Kamerasensors benötigt wird. Dies ist insbesondere bei Kamerasensoren für Messtechnikanwendungen ein Problem, da diese zur Erzielung einer hohen Auflösung eine möglichst hohe Anzahl an Pixeln aufweisen sollten, welche sich nur mit großen Packungsdichten an Pixeln und einem damit erhöhten Dunkelrauschen der Pixel realisieren lässt. Eine Kompensation des Dunkelrauschens mittels einem besseren Signal- zu Rausch-Verhältnis durch eine höhere Ausgangsleistung der farbigen Lichtquelle führt dann jedoch unweigerlich zu einer höheren thermischen Belastung des Beleuchtungssystems und/oder des verwendeten Farbfilters. Solche thermischen Belastungen sind für Präzisionsmessgeräte grundsätzlich unerwünscht oder müssen durch entsprechenden konstruktiven Aufwand, notfalls mit Kühlungsmaßnahmen berücksichtigt werden, was die Anschaffungskosten der entsprechenden Geräte erhöht.
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Angesichts dessen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine möglichst einfache und kostengünstige chromatische Beleuchtung für die optische Messtechnik unter Beibehaltung einer maximalen Abbildungsgüte zur optimalen Kontrastanpassung bereitzustellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Beleuchtungssystem für optische Messgeräte zur metrologischen Vermessung von Werkstücken umfassend eine breitbandige Lichtquelle und in Lichtrichtung von der Lichtquelle zu dem zu vermessenden Werkstück mindestens einen ersten Querschnittswandler für das Beleuchtungslicht und mindestens einen ersten chromatischen Verlaufsfilter für das Beleuchtungslicht dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem in Lichtrichtung von der Lichtquelle zu dem zu vermessenden Werkstück nach dem mindestens einen chromatischen Verlaufsfilter mindestens einen weiteren, zweiten Querschnittswandler für das Beleuchtungslicht umfasst.
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Das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik durch die Nutzung zweier, hintereinander geschalteter Querschnittswandler für Beleuchtungslicht aus. Hierdurch kann zwischen den beiden Querschnittswandler ein chromatischen Verlaufsfilters zur variablen Farbfilterung eingesetzt werden. Dieser chromatische Verlaufsfilter lässt sich dann sehr schnell durch eine Bewegung des Filters relativ zur optischen Achse des Beleuchtungssystems auf die gewünschte Wellenlänge bzw. Farbe des Beleuchtungslichts zur optimalen Kontrastanpassung für die jeweilige Aufnahmeszene einstellen. Durch die Nutzung von Querschnittswandlern lässt sich darüber hinaus das Beleuchtungslicht in seinem Querschnitt optimal an den farbselektiven Querschnitt des chromatischen Verlaufsfilters anpassen, ohne das Beleuchtungslicht durch die notwendigen Querschnittsanpassung verloren geht. Als Querschnittswandler können hierbei unterschiedliche optische Elemente eingesetzt werden, anamorphotische Zylinderlinsen oder -spiegel, entsprechend gestaltete Wabenkondensatoren zum Beispiel in Mikrooptik oder auch bevorzugt faseroptische Querschnittswandler.
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In einer Ausführungsform weisen der mindestens erste Querschnittswandler und der mindestens zweite Querschnittswandler des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems komplementären optischen Eigenschaften zueinander in Lichtrichtung von der Lichtquelle zu dem zu vermessenden Werkstück auf. Hierdurch wird der Einsatz eines chromatischen Verlaufsfilters ermöglicht, dessen Zonen mit gleicher Farbselektivität sich nahezu linienförmig entlang der Oberfläche des Farbfilters erstrecken. Solche chromatischen Verlaufsfilter lassen sich technisch recht einfach zum Beispiel durch entsprechende Beschichtungen eines Glasplättchens herstellen. Durch die zueinander komplementäre Querschnittswandlung des Beleuchtungslichtes aufgrund der beiden Querschnittswandler wird nun bewirkt, dass das zur Beleuchtung des chromatischen Verlaufsfilters in seinem Querschnitt durch den ersten Querschnittswandler linienförmig umgewandelte Beleuchtungslicht durch den zweiten Querschnittswandler wieder nahezu in seine ursprüngliche Querschnittform, welche für die eigentliche Beleuchtung von Abbildungsszenen besser geeignet ist, zurück transformiert wird. Mit anderen Worten wird durch die Hintereinanderschaltung der beiden Querschnittswandler nahezu keine Änderung des Aspektverhältnisses des Eingangsquerschnitts im Verhältnis zum Ausgangsquerschnitt des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems 26c herbeigeführt. Eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Querschnitts kann hierbei allerdings durchaus durch die Hintereinanderschaltung gewünscht sein.
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Unter einem Aspektverhältnis im Sinne dieser Anmeldung wird das Verhältnis der Länge der langen Seite zu der Breite der kurzen Seite eines Rechtecks verstanden, welches den Querschnitt des Beleuchtungslichtes engst-möglich umschließt.
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In einer Ausführungsform führt der mindestens erste Querschnittswandler des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems in Lichtrichtung von der Lichtquelle zu dem zu vermessenden Werkstück eine Querschnittswandlung des Beleuchtungslichtes durch, so dass ein nahezu quadratischer bzw. nahezu runder Querschnitt des Beleuchtungslichtes mit einem Aspektverhältnis von nahezu 1:1 als Eingangsgröße des Querschnittswandlers in ein nahezu rechteckigen, ellipsen-, keil- oder linienförmigen Querschnitt des Beleuchtungslichtes in einer die optischen Achse des Beleuchtungssystems schneidenden Ebene mit einem Aspektverhältnis von größer als 10:1 umgewandelt wird. Hierdurch wird der einerseits der Einsatz von kostengünstigen chromatischen Verlaufsfiltern ermöglicht, die sich durch einen nahezu rechteckigen, ellipsen-, keil- oder linienförmigen Querschnitt von Zonen gleicher Wellenlängenselektivität entlang Ihrer planen Oberfläche auszeichnen. Solche Filter können zum Beispiel durch entsprechende Beschichtungen kostengünstig hergestellt werden. Andererseits wird aber durch ein Aspektverhältnis von größer als 10:1 auch der Einsatz von kostengünstigen Querschnittswandler ermöglicht, da keine perfekte Querschnittswandlung hin zu einem rein linienförmigen Beleuchtungsquerschnitt gefordert wird.
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In einer weiteren Ausführungsform führt der mindestens zweite Querschnittswandler des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems in Lichtrichtung von der Lichtquelle zu dem zu vermessenden Werkstück eine Querschnittswandlung des Beleuchtungslichtes durch, so dass ein nahezu rechteckiger, ellipsen-, keil- oder linienförmiger Querschnitt des Beleuchtungslichtes in einer die optischen Achse des Beleuchtungssystems schneidenden Ebene mit einem Aspektverhältnis von größer als 10:1 als Eingangsgröße des Querschnittswandlers in einen nahezu quadratischen bzw. nahezu runden Querschnitt des Beleuchtungslichtes mit einem Aspektverhältnis von nahezu 1:1 an dessen Ausgang umgewandelt wird. Hierdurch wird mittels einem zweiten, kostengünstig herzustellenden Querschnittswandler das mit einem Aspektverhältnis von größer als 10:1 vorliegende Beleuchtungslicht wieder in einen für die Beleuchtung einer Abbildungsszene nutzbaren Beleuchtungsquerschnitt umgewandelt.
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In einer anderen Ausführungsform weist der erste chromatische Verlaufsfilter des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems innerhalb von nahezu rechteckigen, ellipsen-, keil- oder linienförmigen Zonen mit einem Aspektverhältnis von größer als 10:1 eine Homogenität seiner chromatischen Filtereigenschaften hinsichtlich der transmittierenden Wellenlängen von mehr als 10 nm und von weniger als 50 nm auf, wobei die Breite der kurzen Seite des Aspektverhältnisses mindestens 2 mm beträgt. Hierdurch wird der Einsatz von kostengünstigen Verlaufsfiltern ermöglicht, die zum Beispiel für den Einsatz bei spektroskopischen Untersuchungen nicht mehr geeignet sind bzw. deswegen zum Beispiel als Ausschussware kostengünstig zu beziehen sind.
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Unter der Homogenität der Filtereigenschaften wird das FWHM des jeweiligen Wellenlängenspektrums verstanden, welches den chromatischen Verlaufsfilter in der betrachteten Zone passieren kann.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der erste chromatische Verlaufsfilter des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems eine Kante in seinem Transmissionsverhalten auf (Kantenfilter), so dass nur Beleuchtungslicht oberhalb einer bestimmten Wellenlänge (Langpassfilter) oder Beleuchtungslicht unterhalb einer bestimmten Wellenlänge (Kurzpassfilter) den ersten Verlaufsfilter passieren kann, wobei die bestimmte Wellenlänge, welche die Kante des Transmissionsverhaltens definiert, vom Ort entlang des ersten Verlaufsfilters abhängig ist. Solche Kantenfilter werden als Katalogware massenhaft produziert und sind daher recht kostengünstig zu erwerben.
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In einer Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem einen zweiten chromatischen Verlaufsfilter auf, der sich in Lichtrichtung von der Lichtquelle zu dem zu vermessenden Werkstück zwischen dem ersten chromatischen Verlaufsfilter und dem zweiten Querschnittswandler befindet. Hierdurch ist es möglich, die notwendige Farbselektion auf zwei Filter zu verteilen, wodurch einerseits die gewünschte Farbselektion durch das Verfahren von zwei Filtern gegen- oder miteinander zeitlich schneller erreicht werden kann und wodurch gleichzeitig die notwendige Spezifikation für jeden der zwei Filter herabgesetzt werden kann, was andererseits zu einer Kostenreduktion führt.
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In einer speziellen Ausgestaltung dieser weiteren Ausführungsform weist der zweite chromatische Verlaufsfilter des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems innerhalb von nahezu rechteckigen, ellipsen-, keil- oder linienförmigen Zonen mit einem Aspektverhältnis von größer als 10:1 eine Homogenität seiner chromatischen Filtereigenschaften hinsichtlich der transmittierenden Wellenlängen von mehr als 10 nm und von weniger als 50 nm auf, wobei die Breite der kurzen Seite des Aspektverhältnisses mehr als 2 mm beträgt. Hierdurch wird auch für den zweiten Verlaufsfilter der Einsatz von kostengünstigen Filtern, die sich nicht für spektroskopische Zwecke eignen, ermöglicht.
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In einer weiteren speziellen Ausgestaltung dieser weiteren Ausführungsform weist der zweite chromatische Verlaufsfilter des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems eine Kante in seinem Transmissionsverhalten auf (Kantenfilter), so dass nur Beleuchtungslicht oberhalb einer bestimmten Wellenlänge (Langpassfilter) oder Beleuchtungslicht unterhalb einer bestimmten Wellenlänge (Kurzpassfilter) den zweiten Verlaufsfilter passieren kann, wobei die bestimmte Wellenlänge, welche die Kante des Transmissionsverhaltens definiert, vom Ort entlang des zweiten Verlaufsfilters abhängig ist. Hierdurch kann auch der zweite Filter kostengünstig als Katalogware bezogen werden.
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In einer besonders angepassten Ausgestaltung dieser weiteren Ausführungsform sind hierbei der erste chromatische Verlaufsfilter als Langpassfilter und der zweite chromatische Verlaufsfilter als Kurzpassfilter ausgeführt oder umgekehrt. Diese Ausführungsform ermöglicht einerseits das Wellenlängenspektrum für die Beleuchtung gezielt schmalbandig einzustellen. Andererseits kann ein solche Einstellung hierdurch auch sehr schnell durch entsprechende Positionierung der beiden Filter relativ zu der optischen Achse des Beleuchtungssystems vorgenommen werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein erfindungsgemäßes Optisches Messgerät zur metrologischen Vermessung von Werkstücken mit einem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem nach einer der vorherbeschriebenen Ausführungsformen, wobei das optische Messgerät einen CMOS-Sensor aufweist, der im s/w-Modus betrieben wird und bei dem somit auf eine Farbfilterung verzichtet wird. Indem der genutzte CMOS-Sensor im s/w-Modus betrieben wird, stehen für die Aufnahme eines Werkstücks sämtliche Pixel des CMOS-Sensors zur Verfügung, welche ansonsten auf die verschiedenen Farbkanäle aufgeteilt würden. Insofern wird durch das erfindungsgemäße optische Messgerät mit dem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem ein kostengünstiges und hinsichtlich des Beleuchtungsfarbspektrums schnell einstellbares Messgerät mit maximalem Auflösungsvermögen zur Verfügung gestellt.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die vorliegende Aufgabe der Erfindung ebenfalls gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur metrologischen Vermessung von Werkstücken mittels des erfindungsgemäßen optischen Messgeräts, wobei das Verfahren die folgende Schritte umfasst:
- -- Positionieren des Werkstücks innerhalb des Messbereichs des optischen Messgeräts;
- -- Beleuchten des Werkstücks mittels eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen in Form einer Auflicht- und/oder Durchlichtbeleuchtung, wobei sich der erste chromatische Verlaufsfilter in einer ersten lateralen Position in Bezug auf die optische Achse des Beleuchtungssystems befindet;
- -- Tätigen einer Aufnahme des Werkstücks mittels des CMOS Sensors des erfindungsgemäßen optischen Messgeräts;
- -- Auswerten der getätigten Aufnahme hinsichtlich einem Kontrastgütekriteriums;
- -- Wiederholen der vorhergehenden Schritte „Beleuchten des Werkstücks“, „Tätigen einer Aufnahme“ und „Auswerten der getätigten Aufnahme“ bei einer anderen lateralen Position des ersten chromatischen Verlaufsfilters solange, bis das Kontrastgütekriterium einen gewünschten Schwellwert oder einen vorher definierten Schwellwert überschreitet;
- -- Speichern der Steuerdaten der anhand des Kontrastgütekriteriums für gut befundenen lateralen Position des ersten chromatischen Verlaufsfilters zusammen mit Angaben und/oder Daten des Werkstücks in einer Setup-Datei des Verfahrens.
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Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein kostengünstiges und hinsichtlich des Beleuchtungsfarbspektrums schnell einstellbares Messgerät mit maximalem Auflösungsvermögen zur Verfügung gestellt.
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Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens befindet sich zusätzlich auch der zweite chromatische Verlaufsfilter des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems beim Tätigen der ersten Aufnahme in einer ersten lateralen Position in Bezug auf die optische Achse des Beleuchtungssystems und wird beim „Wiederholen der vorhergehenden Schritte“ solange in andere laterale Positionen gefahren, bis das Kontrastgütekriterium einen gewünschten Schwellwert oder einen vorher definierten Schwellwert überschreitet.
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Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich insbesondere durch eine schnelle Einstellungsmöglichkeit für das Beleuchtungsfarbspektrum des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems aus.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines optischen Messgeräts;
- 2 eine schematische Darstellung eines in den Strahlengang der Abbildungsoptik eingebetteten Beleuchtungssystems des Standes der Technik;
- 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Beleuchtungssystems des Standes der Technik zur Erzeugung von Auflichtbeleuchtung mittels eines Ringlichtes;
- 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems; und
- 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems.
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In 1 ist ein optisches Messgerät 10 dargestellt, bei dem als Beleuchtungssystem 26 sowohl ein Beleuchtungssystem 26a; 26b des Standes der Technik entsprechend der 2 und 3 als auch ein erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem 26c entsprechend der 4 eingesetzt werden kann. Das Messgerät 10 der 1 besitzt einen Werkstücktisch 12, auf dem hier ein Messobjekt bzw. Werkstück 14 angeordnet ist. Mit der Bezugsziffer 16 ist ein Interessenbereich (ROI) bezeichnet, indem beispielsweise eine Kante des Werkstücks 14 verläuft. Beispielsweise soll die Position der Kante und/oder der Kantenverlauf gemessen werden.
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Oberhalb von dem Werkstücktisch 12 ist eine Kamera 18 mit einem Bildsensor 20 und einer Abbildungsoptik 22 angeordnet. Die Kamera 18 blickt hier also senkrecht von oben auf das Werkstück 14, was eine typische Anordnung für solche Messgeräte ist. Alternativ oder ergänzend hierzu könnte die Kamera 18 oder eine weitere Kamera (hier nicht dargestellt) jedoch in einer anderen Orientierung relativ zu dem Messobjekt bzw. Werkstück angeordnet sein.
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Der Bildsensor 20 ist in den bevorzugten Ausführungsbeispielen ein CMOS-Sensor mit einer Vielzahl von matrixartig angeordneten Pixeln, wobei bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen des optischen Messgeräts 10, welche ein erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem 26c beinhalten, auf eine Farbfilterung des CMOS-Sensors verzichtet wird und der Sensor somit im s/w-Modus betrieben wird.
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Die Abbildungsoptik 22 ist in bevorzugten Ausführungsbeispielen eine zumindest objektseitig telezentrische Abbildungsoptik. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Abbildungsoptik 22 objekt- und bildseitig telezentrisch. Prinzipiell könnte die Abbildungsoptik 22 jedoch auch eine nicht-telezentrische Abbildungsoptik sein. In jedem Fall beinhaltet die Abbildungsoptik 22 optische Elemente (hier nicht dargestellt), insbesondere Linsen, mit deren Hilfe das Werkstück 14 in an sich bekannter Weise auf den Bildsensor 20 abgebildet wird. Die Abbildung ist in der Realität nicht ideal, d.h. die Abbildungsoptik 22 besitzt konstruktionsbedingte und/oder individuelle Abbildungsfehler, die zur Folge haben, dass das vom Bildsensor 20 aufgenommene Bild des Werkstücks 14 von dem realen Werkstück 14 abweicht. Insbesondere kann die Abbildungsoptik 22 eine fokusabhängige Verzeichnung haben.
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Wie bei der Bezugsziffer 24 angedeutet ist, besitzt die Kamera 18 eine verstellbare Arbeitsposition bzw. einen verstellbaren Arbeitsabstand 24 relativ zu dem Werkstücktisch 12 und dem darauf angeordneten Werkstück 14. Der Arbeitsabstand 24 korreliert insbesondere mit der Fokussierung der Abbildungsoptik 22 auf das Werkstück 14. Unterschiedliche Fokussierungen entsprechen daher unterschiedlichen Arbeitspositionen. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Kamera 18 senkrecht zu dem Werkstücktisch 12 verfahren werden, was hier mit einem Pfeil 25 angedeutet ist.
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Üblicherweise wird diese Verstellrichtung als Z-Achse bezeichnet. Alternativ und/oder ergänzend kann die Abbildungsoptik eine variable Fokussierung besitzen, die beispielsweise mithilfe von relativ zueinander beweglichen Linsenelementen realisiert ist. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Kamera 18 zudem in einer horizontalen Ebene, die typischerweise als X-Y-Ebene bezeichnet wird, relativ zu dem Werkstücktisch 12 bzw. dem Werkstück 14 verfahren werden. In anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen können die Kamera 18 und der Werkstücktisch 12 in der X-Y-Ebene starr zueinander angeordnet sein.
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Mit der Bezugsziffer 26 ist allgemein ein Beleuchtungssystem bezeichnet, das hier in der 1 unterhalb des Werkstücktisches 12 angeordnet ist. Dementsprechend ist der Werkstücktisch 12 in diesem Ausführungsbeispiel zumindest teilweise lichtdurchlässig. Das Werkstück 14 ist hier zwischen der Kamera 18 und der Beleuchtungseinheit 26 angeordnet, so dass die Kamera 18 das Werkstück 14 mit einer sogenannten Durchlichtbeleuchtung aufnimmt. Alternativ oder ergänzend kann das Messgerät 10 in weiteren Ausführungsbeispielen eine sogenannte Auflichtbeleuchtung besitzen, mit der das Werkstück 14 von oben bzw. schräg zur Blickrichtung der Kamera 18 beleuchtet wird, siehe hierzu auch die Figurenbeschreibung der 2 und 3 für entsprechende Beleuchtungssysteme 26a; 26b des Standes der Technik oder auch die Figurenbeschreibung der 4 für ein erfindungsgemäßes Beleuchtungssysteme 26c.
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Mit der Bezugsziffer 28 ist eine Auswerte- und Steuereinheit bezeichnet. Die Auswerte- und Steuereinheit 28 steuert einerseits die Arbeitsposition der Kamera 18 relativ zu dem Werkstück 14 sowie die Bildaufnahme. Andererseits ermöglicht die Auswerte- und Steuereinheit 28 die Bildauswertung und somit die Bestimmung von Messwerten, die die gesuchten dimensionalen Eigenschaften des Messobjekts repräsentieren. Darüber hinaus führt die Auswerte- und Steuereinheit 28 die Korrektur des von der Kamera 18 aufgenommenen Bildes anhand der Kalibrierwerte durch.
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Zu diesem Zweck besitzt die Auswerte- und Steuereinheit einen Prozessor 30 sowie einen oder mehrere Speicher 32, 34, 36, die mit dem Prozessor 30 kommunikativ verbunden sind. Beispielhaft ist hier ein erster Speicher 32 dargestellt, in dem die Kalibrierwerte abgelegt sind, die die individuellen Abbildungsfehler der Abbildungsoptik 22 für eine definierte Arbeitsposition 24 repräsentieren. Die Kalibrierwerte im Speicher 32 ermöglichen somit eine rechnerische Korrektur dieser Abbildungsfehler.
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Mit der Bezugsziffer 38 ist eine Anzeige bezeichnet, die einerseits eine Schnittstelle darstellt, über die ein Bediener einen oder mehrere Interessenbereiche 16 definieren kann. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Anzeige 38 ein Touchscreen-Monitor und der Bediener kann anhand eines angezeigten Bildes 40 von dem Werkstück 14 einen oder mehrere Interessenbereiche 16 festlegen. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Definition von Interessenbereichen anhand von CAD-Daten 42 erfolgen, die Soll-Eigenschaften des Werkstücks 14 repräsentieren. Alternativ oder ergänzend kann auf der Anzeige 38 ein aktuelles Bild von dem Werkstück 14 angezeigt werden und der Bediener kann Interessenbereiche 16 anhand des aktuellen Bildes definieren. Es versteht sich, dass alternativ oder ergänzend zu einem Touchscreen-Monitor eine Bedienung über eine Maus und/oder Tastatur oder ein anderes Eingabemedium möglich ist.
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In den nachfolgenden Figuren sowie in den entsprechenden Figurenbeschreibungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils dieselben Elemente wie in 1. Allerdings sind die nachfolgend beschriebenen Beleuchtungssysteme 26a bis 26c nicht auf den Einsatz bei dem in 1 beschriebenen optischen Messgerät 10 beschränkt, sondern können auch bei anderen optischen Messgeräten eingesetzt werden.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Beleuchtungssystems 26a des Standes der Technik, welches für den Einsatz mittels Auflichtbeleuchtung in den optischen Strahlengang der Abbildungsoptik 22 des Messgeräts 10 eingebettet ist. Die Einbettung erfolgt hierbei durch einen Strahlteiler 5, der einerseits das mittels einer Linse 3a bzw. mittels eines Kondensors 3a ausgerichtete Beleuchtungslicht der farbigen Lichtquelle 3 auf das Werkstück 14 bzw. den Werkstücktisch 12 umlenkt und andererseits das Abbildungslicht des Abbildungsstrahlengangs der Abbildungsoptik 22 passieren lässt. Für die Farbfilterung weist dieses Beleuchtungssystem 26a der 2 einen homogenen Farbfilter 1 in einer Pupillenebene des Beleuchtungssystems 26a auf. Der homogene Farbfilter 1 sorgt nun bei diesem Beleuchtungssystem 26a des Standes der Technik dafür, dass über die komplette Pupilleneben hinweg nur einfarbiges Licht einer bestimmten Wellenlänge die Pupille passieren kann. Für einen Farbwechsel muss dann der homogene Farbfilter 1 gegen einen entsprechenden Filter einer anderen Wellenlänge getauscht werden. Hierzu bietet sich ein Revolversystem mit verschiedenen Farbfiltern 1 an, die durch das Revolversystem in die Pupillenebene des Beleuchtungssystems 26a eingeschwenkt werden können.
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Das Beleuchtungssystem der 2 könnte bei dem in 1 beschriebenen Messgerät 10 allerdings auch als Durchlichtbeleuchtungssystem 26 entsprechend der 1 eingesetzt werden. Dazu müsste das Beleuchtungssystem 26a nur entsprechend der 1 unterhalb des Werkstücktisches 12 angeordnet werden, eine Umlenkung bzw. Einbettung des Beleuchtungsstrahlengangs mittels eines Strahlteilers ist dann allerdings nicht notwendig.
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Die 3 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Beleuchtungssystems 26b des Standes der Technik. Diese Beleuchtungssystem 26b weist ein sogenanntes Ringlicht 9 auf. Mittels eines solchen Ringlichtes 9, welches um den eigentlichen Abbildungsstrahlengang der Abbildungsoptik 22 herum angeordnet wird, kann in der Regel eine sogenannte Dunkelfeld-Auflichtbeleuchtung von Werkstücken realisiert werden. Bei diesem Beleuchtungssystem 26b erfolgt ebenso wie bei dem Beleuchtungssystem 26a der 1 eine Farbfilterung mittels eines homogenen Farbfilters 1 in einer Pupillenebene des Beleuchtungssystems 26b. Hierzu wird zunächst das Beleuchtungslicht der farbigen Lichtquelle 3 mittels einer Linse 3a bzw. mittels eines Kondensors 3a parallel ausgerichtet, wodurch das Beleuchtungslicht anschließend einen nahezu runden bzw. nahezu quadratischen Querschnitt 4a mit einem Aspektverhältnis von nahezu 1:1 aufweist. Das parallel ausgerichtete Beleuchtungslicht mit dem Querschnitt 4a trifft dann den homogenen Farbfilter 1. Der homogene Farbfilter 1 filtert dann entsprechend seiner Filtereigenschaft ein entsprechendes Wellenlängenband aus dem farbigen Beleuchtungslicht heraus, welches den Farbfilter 1 passieren soll. Dieses entsprechend der gewünschten Farbe gefilterte Beleuchtungslicht liegt anschließend mit einem nahezu runden bzw. nahezu quadratischen Querschnitt 4b mit einem Aspektverhältnis von nahezu 1:1 vor. Da bei dem Beleuchtungssystem 26b der 3 keinen Querschnittswandlung des Beleuchtungslichtes durchgeführt wird, entspricht die Form und der Durchmesser des Querschnitts 4b, der Form und dem Durchmesser des Querschnitts der beleuchteten Fläche auf dem Farbfilter 1 sowie der Form und dem Durchmesser des Querschnitts 4a. Das Beleuchtungslicht mit dem Durchmesser 4b wird dann zum Beispiel nach der Farbfilterung mittels einer Linse 3b in eine oder mehrere Glasfasern 7 eingespeist, welche das Beleuchtungslicht anschließend auf das Ringlicht 9 verteilen.
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Die 4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems 26c, bei dem das Licht einer farbigen Lichtquelle 3 zunächst mittels einer Linse 3a oder mittels eines Kondensors 3a parallel ausgerichtet wird, wodurch das Beleuchtungslicht einen nahezu quadratischen bzw. nahezu runden Querschnitt 4a mit einem Aspektverhältnis von nahezu 1:1 aufweist.
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Dieser Querschnitt 4a des Beleuchtungslichtes wird durch den in Lichtrichtung nachfolgenden, ersten Querschnittswandler 2a in einen nahezu rechteckigen, ellipsen-, keil- oder linienförmigen Querschnitt 6 des Beleuchtungslichtes in einer die optischen Achse des Beleuchtungssystems schneidenden Ebene mit einem Aspektverhältnis von größer als 10:1 umgewandelt. Mit anderen Worten führt der mindestens erste Querschnittswandler 2a in Lichtrichtung von der Lichtquelle 3 zu dem zu vermessenden Werkstück 14 eine Querschnittswandlung des Beleuchtungslichtes durch, so dass ein nahezu quadratischer bzw. nahezu runder Querschnitt 4a des Beleuchtungslichtes mit einem Aspektverhältnis von nahezu 1:1 als Eingangsgröße des Querschnittswandlers 2a in einen nahezu rechteckigen, ellipsen-, keil- oder linienförmigen Querschnitt 6 des Beleuchtungslichtes in einer die optischen Achse des Beleuchtungssystems schneidenden Ebene mit einem Aspektverhältnis von größer als 10:1 umgewandelt wird.
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In dieser Ebene, eine Pupillenebene des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems 26c, befindet sich nun ein erster chromatischer Verlaufsfilter 1a zur Farbfilterung des Beleuchtungslichtes. Dieser Verlaufsfilter 1a zeichnet sich dadurch aus, dass bestimmte Zonen des Verlaufsfilters nur bestimmte Wellenlängen bzw. Farben des Beleuchtungslichtes durch den Farbfilter hindurch passieren lassen. In einer bevorzugten Ausführungsform hierzu weist der erste chromatische Verlaufsfilter 1a innerhalb von nahezu rechteckigen, ellipsen-, keil- oder linienförmigen Zonen mit einem Aspektverhältnis von größer als 10:1 eine Homogenität seiner chromatischen Filtereigenschaften hinsichtlich der mittleren transmittierenden Wellenlänge von mehr als 10 nm und von weniger als 50 nm auf, wobei die Breite der kurzen Seite des Aspektverhältnisses mindestens 2 mm beträgt.
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Hierdurch wird sichergestellt, dass das mittels der Querschnittswandlung umgeformte Licht nahezu homogen hinsichtlich seiner Farbe bzw. Wellenlänge innerhalb der Pupille gefiltert wird. Durch eine seitliche Bewegung des Filters in eine Richtung senkrecht zur optischen Achse des Beleuchtungssystems 26c, in der 4 durch entsprechende Pfeile angedeutet, lässt sich nun eine andere Zone des Verlaufsfilters in den Strahlengang des Beleuchtungslichtes einbringen, wodurch eine andere Farbe bzw. Wellenlänge des Beleuchtungslichtes entsprechend der gewählten Zone den chromatischen Verlaufsfilter 1a bzw. die Pupille des Beleuchtungssystems 26c passieren kann.
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In einer Ausführungsform hierzu weist der erste chromatische Verlaufsfilter 1a eine Kante in seinem Transmissionsverhalten aufweist (Kantenfilter), so dass nur Beleuchtungslicht oberhalb einer bestimmten Wellenlänge (Langpassfilter) oder Beleuchtungslicht unterhalb einer bestimmten Wellenlänge (Kurzpassfilter) den ersten Verlaufsfilter 1a passieren kann, wobei die bestimmte Wellenlänge, welche die Kante des Transmissionsverhaltens definiert, vom Ort entlang des ersten Verlaufsfilters 1a abhängig ist.
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Nach dem Passieren des Verlaufsfilters 1a wird das Beleuchtungslicht durch mindestens einen zweiten Querschnittswandler 2b umgewandelt, wodurch aus einem nahezu rechteckiger, ellipsen-, keil- oder linienförmiger Querschnitt 6 des Beleuchtungslichtes in einer die optischen Achse des Beleuchtungssystems schneidenden Ebene mit einem Aspektverhältnis von größer als 10:1 als Eingangsgröße des Querschnittswandlers 2b ein nahezu quadratischer bzw. nahezu runder Querschnitt 4b des Beleuchtungslichtes mit einem Aspektverhältnis von nahezu 1:1 am Ausgang des Querschnittswandlers 2b resultiert.
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Insofern zeichnet sich das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem 26 c der 4 für optische Messgeräte 10 zur metrologischen Vermessung von Werkstücken 14 dadurch aus, dass in Lichtrichtung von der breitbandigen Lichtquelle 3 zu dem zu vermessenden Werkstück 14 das Beleuchtungslicht durch mindestens einen ersten Querschnittswandler 2a, durch mindestens einen ersten chromatischen Verlaufsfilter 1a und durch mindestens einen weiteren, zweiten Querschnittswandler 2b umgewandelt bzw. in seinen Eigenschaften verändert wird.
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Die Lichtrichtung von der breitbandigen Lichtquelle 3 zu dem zu vermessenden Werkstück 14 ist hierbei in der 4 durch einen langgezogenen horizontalen Pfeil angedeutet. Diese Lichtrichtung fällt mit der Richtung der optischen Achse bei dem in 4 gezeigten erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem 26c zusammen.
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Der mindestens erste Querschnittswandler 2a und der mindestens zweite Querschnittswandler 2b des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems 26c der 4 weisen komplementären optischen Eigenschaften zueinander in Lichtrichtung von der Lichtquelle 3 zu dem zu vermessenden Werkstück 14 auf, indem sie durch die Hintereinanderschaltung nahezu keine Änderung des Aspektverhältnisses des Eingangsquerschnitts 4a im Verhältnis zum Ausgangsquerschnitt 4b des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems 26c herbeiführen.
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Die Darstellung des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems 26c endet in der 4 mit der Darstellung des Ausgangsquerschnitts 4b. Dieser Querschnitt 4b lässt sich nun zum Beispiel mittels eines Strahlteilers 5 entsprechend dem Beleuchtungssystem 26a der 2 in den Abbildungsstrahlengang der Abbildungsoptik 22 des optischen Messgeräts 10 der 1 einkoppeln, um eine entsprechende Auflichtbeleuchtung zu realisieren. Alternativ kann das in 4 dargestellte Beleuchtungssystem auch bei dem in 1 gezeigten optischen Messgerät 10 gemäß der dort offenbarten Anordnung unterhalb der Werkstücktisches 12 als Beleuchtungssystem 26 angeordnet werden, so dass der Querschnitt 4b des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems 26c den von unten beleuchteten Querschnitt des Werkstücktisches 12 repräsentiert, wodurch bei dieser Anordnung eine Durchlichtbeleuchtung des optischen Messgeräts 10 mithilfe des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems 26c realisiert wird. Zusätzlich oder alternativ kann der Querschnitt 4b des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems 26c auch in die Glasfasern 7 des Beleuchtungssystems 26b der 3 mit Hilfe der Linse 3b eingekoppelt werden, um bei dem optischen Messgerät 10 der 1 mittels des Ringlichtes 9 zum Beispiel eine Dunkelfeld-Auflichtbeleuchtung zu realisieren.
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Die 5 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des ersten bzw. zweiten chromatischen Verlaufsfilters 1a; 1b des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems 26c der 4. Bei dieser Ausführungsform eines chromatischen Verlaufsfilters sind die homogenen Farbfilterungszonen keilförmig auf einer Kreisscheibe angeordnet, so dass durch eine Rotation der Kreisscheibe um die Achse 11 herum eine gewünschte Farbfilterung des beleuchteten Querschnitts 6 des Beleuchtungssystems 26c realisiert werden kann. In der Regel lassen sich solche, in der 5 dargestellten Verlaufsfilter 1a; 1b durch die Rotation der Kreisscheiben deutlich schneller hinsichtlich eines gewünschten Farbwechsels einstellen als die in 4 gezeigten Verlaufsfilter durch eine entsprechende Linearbewegung. Solche Farbwechsel werden durch die Nutzer des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems 26c mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herbeigeführt.
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Das durch den Nutzer durchgeführte, erfindungsgemäße Verfahren zur metrologischen Vermessung von Werkstücken 14 mittels eines optischen Messgeräts 10 entsprechend 1 umfasst hierzu die folgende Schritte:
- Positionieren des Werkstücks 14 innerhalb des Messbereichs des optischen Messgeräts 10;
- Beleuchten des Werkstücks 14 mittels des Beleuchtungssystems 26c entsprechend der 4
- in Form einer Auflicht- und/oder Durchlichtbeleuchtung, wobei sich der erste chromatische Verlaufsfilter 1a entsprechend der 4 oder 5 in einer ersten lateralen Position in Bezug auf die optische Achse des Beleuchtungssystems 26c befindet;
- Tätigen einer Aufnahme des Werkstücks 14 mittels des CMOS Sensors des optischen Messgeräts 10; Auswerten der getätigten Aufnahme hinsichtlich einem Kontrastgütekriteriums;
- Wiederholen der vorhergehenden Schritte „Beleuchten des Werkstücks“, „Tätigen einer Aufnahme“ und „Auswerten der getätigten Aufnahme“ bei einer anderen lateralen Position des ersten chromatischen Verlaufsfilters 1a entsprechend der 4 oder 5 solange, bis das Kontrastgütekriterium einen gewünschten Schwellwert oder einen vorher definierten Schwellwert überschreitet;
- Speichern der Steuerdaten der anhand des Kontrastgütekriteriums für gut befundenen lateralen Position des ersten chromatischen Verlaufsfilters 1a zusammen mit Angaben und/oder Daten des Werkstücks 14 in einer Setup-Datei des Verfahrens.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens befindet sich zusätzlich auch der zweite chromatische Verlaufsfilter 1b beim Tätigen der ersten Aufnahme 7 in einer ersten lateralen Position in Bezug auf die optische Achse des Beleuchtungssystems und wird beim „Wiederholen der vorhergehenden Schritte“ solange in andere laterale Positionen entsprechend der 4 oder 5 gefahren, bis das Kontrastgütekriterium einen gewünschten Schwellwert oder einen vorher definierten Schwellwert überschreitet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1348986 A2 [0002]
- US 7016053 B2 [0002]
- US 7016525 B2 [0002]
- US 2003/0231494 A1 [0002]
- US 3971065 [0003]
