DE102022115020B3 - Depth scan measuring system, depth scan measuring device, calibration unit and method for calibrating a depth scan measuring device - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Tiefenscanmesssystem zur Untersuchung einer Oberflächenstruktur einer Probe (3) offenbart. Das Tiefenscanmesssystem umfasst eine Tiefenscanmessvorrichtung (1, 101) und eine Kalibriereinheit (71). Mithilfe der Kalibriereinheit (71) kann die Tiefenscanmessvorrichtung (1, 101) kalibriert werden, insbesondere wenn eine Flüssiglinse (19A) in einer optische Scanvorrichtung (17) zum Einstellen einer Objektebene (21) in einem Tiefenabstand zur Vermessung der Oberflächenstruktur verwendet wird. Ferner werden Tiefenscanmessvorrichtungen (1, 101) und eine Kalibriereinheit (71) sowie ein Verfahren zur Kalibrierung einer Tiefenscanmessvorrichtung (1) offenbart.A depth scanning measuring system for examining a surface structure of a sample (3) is disclosed. The depth scan measuring system comprises a depth scan measuring device (1, 101) and a calibration unit (71). The depth scanning measuring device (1, 101) can be calibrated using the calibration unit (71), in particular if a liquid lens (19A) is used in an optical scanning device (17) to adjust an object plane (21) at a depth distance for measuring the surface structure. Furthermore, depth scanning measuring devices (1, 101) and a calibration unit (71) as well as a method for calibrating a depth scanning measuring device (1) are disclosed.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Tiefenscanmesssystem mit einer Tiefenscanmessvorrichtung und einer Kalibriereinheit, das insbesondere zur Vermessung einer Oberflächenstruktur einer Probe ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Tiefenscanmessvorrichtung, eine Kalibriereinheit sowie ein Verfahren zur Kalibrierung einer Tiefenscanmessvorrichtung.The present invention relates to a depth scanning measuring system with a depth scanning measuring device and a calibration unit, which is designed in particular for measuring a surface structure of a sample. The invention further relates to a depth scan measuring device, a calibration unit and a method for calibrating a depth scan measuring device.
Für eine Untersuchung einer Oberflächenstruktur einer Probe - z. B. im Rahmen einer Qualitätskontrolle - kann eine vergrößernde zweidimensionale Bilderfassung der Oberfläche der Probe vorgenommen werden. Insbesondere leichte, handgeführte oder auf Abstand gehaltene Vorrichtungen erlauben die Untersuchung von druckempfindlichen sich in einer Ebene erstreckenden Proben unter Auflage eines bilderfassenden Systems auf der Probe, wobei derartige Systeme entsprechend kompakt und handlich auszulegen sind. Beispielsweise können bei Flexoplatten, wie sie in der Druckindustrie zum Einsatz kommen, Rasterflächen mit druckenden Punkten oder Linien zweidimensional erfasst werden.For an examination of a surface structure of a sample - e.g. B. as part of a quality control - an enlarged two-dimensional image capture of the surface of the sample can be carried out. In particular, light, hand-held or spaced devices allow the examination of pressure-sensitive samples extending in one plane with an image-capturing system placed on the sample, such systems being designed to be correspondingly compact and handy. For example, with flexographic plates, such as those used in the printing industry, grid areas with printing dots or lines can be captured two-dimensionally.
Aus dem Stand der Technik sind Systeme zur Oberflächenanalyse bekannt, die mithilfe von vergrößernden Abbildungssystemen Oberflächen von zu untersuchenden Proben zweidimensional oder auch dreidimensional darstellen. Bei transparenten Proben (Medien) kann unterstützend eine Durchlichteinheit verwendet werden, die die Probe von unten beleuchtet. Ein Beispiel ist das Messgerät „Sibress FlexoControl 3D Plus“, das gleichzeitig die Oberfläche sowie tiefer liegende Partien von Rasterpunkten einer Flexoplatte und deren Versockelung von der Seite erfasst. Zwei Kameras nehmen hierzu die Oberfläche und Flanken von Rasterpunkten auf, wobei mit einer Seitenkamera der gesamte Sichtbereich scharf abgetastet werden kann. Ein weiteres Beispiel für ein optisches Inspektionsgerät offenbart die
Ferner ist aus „Focus Variation - Robust Technology for High Resolution Optical 3D Surface Metrology, Danzl, R. et. al., Strojniski vestnik - Journal of Mechanical Engineering, Band 57, Nr. 3, Seiten 45-256, Juni 2011, eine Fokusvariationsmethode im Rahmen einer optischen 3D-Messtechnik bekannt. Bei der Fokusvariationsmethode wird eine Präzisionsoptik vertikal entlang der optischen Achse verfahren.Furthermore, from “Focus Variation - Robust Technology for High Resolution Optical 3D Surface Metrology, Danzl, R. et. al., Strojniski vestnik - Journal of Mechanical Engineering,
Allgemein wurde erkannt, dass in der Industrie ein Bedarf an einer, bevorzugt leichten und portablen, Tiefenscanmessvorrichtung besteht, die kalibrierte Messdaten bezüglich einer Tiefenrichtung einer Probe ausgibt. Eine Probe erstreckt sich beispielsweise in einer Ebene oder weist eine gekrümmte Oberfläche auf, z. B. die Form einer Zylindermantelfäche. Eine feine Oberflächenstruktur ragt in die Probe hinein (d. h. in Tiefenrichtung senkrecht zur Ebene). Der Erfinder hat erkannt, dass es mithilfe der hierin vorgeschlagenen Konzepte zur Kalibrierung möglich wird, mit einfachen Mitteln eine Abbildung und eine Vermessung einer Oberflächenstruktur durchzuführen. Insbesondere im Bereich der Analyse von Flexoplatten hat der Erfinder erkannt, dass Informationen über die Oberflächenstruktur einer z. B. bereits gebrauchten Flexoplatte wesentlich für eine fundierte Entscheidung über einen erneuten Einsatz oder einen weitergehenden Einsatz und damit allgemein für einen effizienten Einsatz von Flexoplatten sind. So ist eine oberflächenschonende, schnelle und zuverlässige Erfassung von Oberflächenstrukturen von Druckplatten wesentlich für eine Integration einer derartigen Oberflächenvermessung mit einer Tiefenscanmessvorrichtung in industrielle Arbeitsabläufe, beispielsweise in industrielle Arbeitsabläufe beim Flexo-Druck. Mit einem schnellen Zugriff auf Informationen zur Oberflächenstruktur und Oberflächenqualität können fehlerhafte Druckerzeugnisse und Ausfallzeiten von Druckmaschinen aufgrund von eingespannten mangelhaften Flexoplatten vermieden werden. Ferner hat der Erfinder erkannt, dass - mit einer derartigen Tiefenscanmessvorrichtung - Informationen beispielsweise über PCBs (printed circuit boards) zur Qualitätsanalyse mithilfe einer optischen Oberflächenvermessung gewonnen werden können.It has generally been recognized that there is a need in the industry for a depth scanning measuring device, preferably lightweight and portable, which outputs calibrated measurement data relating to a depth direction of a sample. For example, a sample extends in a plane or has a curved surface, e.g. B. the shape of a cylindrical surface. A fine surface structure protrudes into the sample (i.e. in the depth direction perpendicular to the plane). The inventor has recognized that the calibration concepts proposed herein make it possible to image and measure a surface structure using simple means. Particularly in the area of analyzing flexographic plates, the inventor has recognized that information about the surface structure of a e.g. B. already used flexo plates are essential for a well-founded decision about re-use or further use and thus generally for the efficient use of flexo plates. A surface-friendly, rapid and reliable detection of surface structures of printing plates is essential for integrating such a surface measurement with a depth scanning measuring device into industrial workflows, for example in industrial workflows in flexo printing. With quick access to information about surface structure and surface quality, defective printed products and printing press downtime due to clamped defective flexographic plates can be avoided. Furthermore, the inventor has recognized that - with such a depth scanning measuring device - information can be obtained, for example, about PCBs (printed circuit boards) for quality analysis using optical surface measurement.
Die hierin offenbarten Konzepte für Tiefenscanmesssysteme sind darauf gerichtet, zumindest zum Teil einen oder mehrere Aspekte von bekannten Systemen zur Untersuchung von Oberflächenstrukturen zu verbessern. So liegt einem Aspekt dieser Offenbarung die Aufgabe zugrunde, den zweidimensionalen Informationsgehalt bei der Untersuchung einer Oberflächenstruktur mit einer Tiefenscanmessvorrichtung um eine dritte Dimension, hierin als Tiefenrichtung bezeichnet, zu erweitern. Einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochpräzise Kalibrierung einer Tiefenscanmessvorrichtung zu ermöglichen.The depth scan measurement system concepts disclosed herein are directed at improving, at least in part, one or more aspects of known systems for examining surface structures. One aspect of this disclosure is based on the task of expanding the two-dimensional information content when examining a surface structure with a depth scanning measuring device by a third dimension, referred to herein as the depth direction. Another aspect of this disclosure is based on the task of enabling high-precision calibration of a depth scanning measuring device.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Tiefenscanmesssystem nach Anspruch 1, eine Tiefenscanmessvorrichtung nach Anspruch 11, eine Kalibriereinheit nach Anspruch 17 und durch ein Verfahren zur Kalibrierung einer Tiefenscanmessvorrichtung nach Anspruch 18. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.At least one of these tasks is solved by a depth scan measuring system according to
In einem Aspekt umfasst ein Tiefenscanmesssystem eine Tiefenscanmessvorrichtung und eine Kalibriereinheit. Die Tiefenscanmessvorrichtung umfasst eine Bilddatenerfassungseinheit, die aufweist eine Bildsensoreinheit mit einer zweidimensionalen Pixelanordnung, die eine Bildebene definiert, und eine optische Scanvorrichtung mit einer Linseneinheit, die eine Objektebene in einem einstellbaren Tiefenabstand zur Bildebene definiert und die dazu ausgebildet ist, einen Ausschnitt der Objektebene auf die zweidimensionalen Pixelanordnung abzubilden. Ferner umfasst die Tiefenscanmessvorrichtung eine Steuerungseinheit, die mit der Bildsensoreinheit zum Empfangen von Bilddaten und mit der optischen Scanvorrichtung zur Einstellung des Tiefenabstands verbunden ist und die mit einer Bildauswerteeinheit zur Abgabe der Bilddaten verbindbar ist. Die Steuerungseinheit ist ferner dazu eingerichtet, eine Mehrzahl von Tiefenabständen sequentiell einzustellen und jeweils Bilddaten des Ausschnitts der Objekt-ebene zu empfangen, wobei der Tiefenabstand in einem kalibrierten Tiefenscanbereich von 0 mm bis mindestens 0,5 mm schrittweise um ein Tiefeninkrement änderbar ist. Die Kalibriereinheit definiert eine Referenzebene für die Kalibrierung der Tiefenscanmessvorrichtung und umfasst eine Trägerfläche, die von der Referenzebene um mindestens den kalibrierten Tiefenscanbereich versetzt angeordnet ist, und einen Kalibrierkörper, der auf der Trägerfläche angeordnet ist und zumindest einen Teil einer Kalibrierstruktur ausbildet, die einen oberen Oberflächenabschnitt und einen unteren Oberflächenabschnitt umfasst, wobei der obere Oberflächenabschnitt und der untere Oberflächenabschnitt in einer Richtung orthogonal zur Referenzebene durch eine Kalibrierdistanz voneinander beabstandet sind und die Kalibrierdistanz mit einer Genauigkeit von 0,005 mm oder weniger gegeben ist.In one aspect, a depth scan measurement system includes a depth scan measurement device and a calibration unit. The depth scanning measuring device comprises an image data acquisition unit, which has an image sensor unit with a two-dimensional pixel arrangement that defines an image plane, and an optical scanning device with a lens unit that defines an object plane at an adjustable depth distance from the image plane and which is designed to display a section of the object plane on the two-dimensional pixel arrangement. Furthermore, the depth scanning measuring device comprises a control unit which is connected to the image sensor unit for receiving image data and to the optical scanning device for adjusting the depth distance and which can be connected to an image evaluation unit for outputting the image data. The control unit is also set up to set a plurality of depth distances sequentially and to receive image data of the section of the object plane, whereby the depth distance can be changed step by step by a depth increment in a calibrated depth scan range of 0 mm to at least 0.5 mm. The calibration unit defines a reference plane for calibrating the depth scanning measuring device and comprises a support surface, which is arranged offset from the reference plane by at least the calibrated depth scanning range, and a calibration body, which is arranged on the support surface and forms at least part of a calibration structure which has an upper surface section and a lower surface section, wherein the upper surface section and the lower surface section are spaced apart from one another in a direction orthogonal to the reference plane by a calibration distance and the calibration distance is given with an accuracy of 0.005 mm or less.
In einem weiteren Aspekt wird eine, insbesondere portable, Tiefenscanmessvorrichtung zur Untersuchung einer Oberflächenstruktur einer Probe, die sich in einer Ebene erstreckt, offenbart. Die Tiefenscanmessvorrichtung umfasst ein Gehäuse mit einer Bodenplatte, die eine Unterseite und eine Messöffnung aufweist, wobei die Unterseite als plane Bodenfläche zum Ablegen der Tiefenscanmessvorrichtung auf der zu untersuchenden Probe ausgebildet ist. Die Tiefenscanmessvorrichtung umfasst ferner eine Bilddatenerfassungseinheit. Die Bilddatenerfassungseinheit weist eine Bildsensoreinheit mit einer zweidimensionalen Pixelanordnung, die eine Bildebene definiert, auf. Fener weist die Bilddatenerfassungseinheit eine optische Scanvorrichtung mit einer Linseneinheit auf, wobei die Linseneinheit eine Objektebene in einem einstellbaren Tiefenabstand zur Bildebene definiert und dazu ausgebildet ist, einen Ausschnitt der Objektebene auf die zweidimensionalen Pixelanordnung abzubilden. Die Bildsensoreinheit und die Linseneinheit sind bezüglich der Bodenplatte derart im Gehäuse angeordnet und ausgebildet, dass sich der Ausschnitt der Objektebene entlang der Unterseite und außerhalb der Messöffnung erstreckt. Die Tiefenscanmessvorrichtung umfasst ferner eine Steuerungseinheit, die mit der Bildsensoreinheit zum Empfangen von Bilddaten und mit der optischen Scanvorrichtung zur Einstellung des Tiefenabstands verbunden ist und die mit einer Bildauswerteeinheit zur Abgabe der Bilddaten verbindbar ist. Die Steuerungseinheit ist ferner dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl von Tiefenabständen sequentiell einzustellen und jeweils Bilddaten des Ausschnitts der Objektebene zu empfangen, wobei der Tiefenabstand in einem kalibrierten Tiefenscanbereich von 0 mm bis mindestens 0,5 mm schrittweise um ein Tiefeninkrement änderbar ist.In a further aspect, a, in particular portable, depth scanning measuring device for examining a surface structure of a sample that extends in a plane is disclosed. The depth scanning measuring device comprises a housing with a base plate which has a bottom side and a measuring opening, the underside being designed as a flat floor surface for placing the depth scanning measuring device on the sample to be examined. The depth scan measuring device further comprises an image data acquisition unit. The image data acquisition unit has an image sensor unit with a two-dimensional pixel arrangement that defines an image plane. Furthermore, the image data acquisition unit has an optical scanning device with a lens unit, wherein the lens unit defines an object plane at an adjustable depth distance from the image plane and is designed to image a section of the object plane onto the two-dimensional pixel arrangement. The image sensor unit and the lens unit are arranged and designed in the housing with respect to the base plate in such a way that the section of the object plane extends along the underside and outside of the measuring opening. The depth scanning measuring device further comprises a control unit which is connected to the image sensor unit for receiving image data and to the optical scanning device for adjusting the depth distance and which can be connected to an image evaluation unit for outputting the image data. The control unit is also set up to set a plurality of depth distances sequentially and to receive image data of the section of the object plane, wherein the depth distance can be changed step by step by a depth increment in a calibrated depth scan range of 0 mm to at least 0.5 mm.
In einem weiteren Aspekt wird eine Tiefenscanmessvorrichtung zur Untersuchung einer Oberflächenstruktur einer Probe, die insbesondere eine gekrümmte Oberfläche aufweist, offenbart. Die Tiefenscanmessvorrichtung umfasst eine Bilddatenerfassungseinheit, die eine Bildsensoreinheit mit einer zweidimensionalen Pixelanordnung, die eine Bildebene definiert, aufweist. Fener weist die Bilddatenerfassungseinheit eine optische Scanvorrichtung mit einer Linseneinheit, die eine Objektebene in einem einstellbaren Tiefenabstand zur Bildebene definiert und die dazu ausgebildet ist, einen Ausschnitt der Objektebene auf die zweidimensionalen Pixelanordnung abzubilden. Die Tiefenscanmessvorrichtung umfasst ferner eine Positioniereinheit, an der die Bildsensoreinheit befestigt ist, wobei die Positioniereinheit dazu ausgebildet ist, die Bildsensoreinheit im Raum mindestens in einer Richtung orthogonal zur Bildebene zu verfahren und durch Positionieren der Bildsensoreinheit im Raum die Objektebene auf eine Referenzebene einer Kalibriereinheit oder auf einen Oberflächenabschnitt der zu untersuchenden Probe, insbesondere der gekrümmten Oberfläche, zu legen. Die Tiefenscanmessvorrichtung umfasst ferner eine Steuerungseinheit, die mit der Bildsensoreinheit zum Empfangen von Bilddaten und mit der optischen Scanvorrichtung zur Einstellung des Tiefenabstands verbunden ist und die mit einer Bildauswerteeinheit zur Abgabe der Bilddaten verbindbar ist. Die Steuerungseinheit ist ferner dazu eingerichtet, eine Mehrzahl von Tiefenabständen sequentiell einzustellen und jeweils Bilddaten des Ausschnitts der Objektebene zu empfangen, wobei der Tiefenabstand in einem kalibrierten Tiefenscanbereich von 0 mm bis mindestens 0,5 mm schrittweise um ein Tiefeninkrement änderbar ist.In a further aspect, a depth scanning measuring device for examining a surface structure of a sample, which in particular has a curved surface, is disclosed. The depth scan measuring device includes an image data acquisition unit that has an image sensor unit with a two-dimensional pixel arrangement that defines an image plane. Furthermore, the image data acquisition unit has an optical scanning device with a lens unit which defines an object plane at an adjustable depth distance from the image plane and which is designed to image a section of the object plane onto the two-dimensional pixel arrangement. The depth scanning measuring device further comprises a positioning unit to which the image sensor unit is attached, wherein the positioning unit is designed to move the image sensor unit in space at least in a direction orthogonal to the image plane and, by positioning the image sensor unit in space, to move the object plane to a reference plane of a calibration unit or to to lay a surface section of the sample to be examined, in particular the curved surface. The depth scanning measuring device further comprises a control unit which is connected to the image sensor unit for receiving image data and to the optical scanning device for adjusting the depth distance and which can be connected to an image evaluation unit for outputting the image data. The control unit is also set up to set a plurality of depth distances sequentially and to receive image data of the section of the object plane, wherein the depth distance can be changed step by step by a depth increment in a calibrated depth scan range of 0 mm to at least 0.5 mm.
Hinsichtlich des hierin offenbarten Tiefenscanmesssystems und der hierin offenbarten Tiefenscanmessvorrichtungen können Objektebenen, die sich in einem Bereich von 0 mm bis mindestens 0,5 mm (beispielsweise unterhalb der Unterseite der Bodenplatte einer Tiefenscanmessvorrichtung mit Gehäuse) befinden, mithilfe der optischen Scanvorrichtung auf die Pixelanordnung der Bildsensoreinheit abgebildet werden. Üblicherweise ist der Tiefenscanbereich auf die zu untersuchende Probe abgestimmt, wobei beispielsweise bei Flexoplatten ein Tiefenscanbereich im Bereich von 1 mm bis 1,5 mm aussagekräftige Informationen zum Qualitätszustand einer Flexoplatte ermöglicht.With respect to the depth scanning measurement system and depth scanning measurement devices disclosed herein, object planes located in a range of 0 mm to at least 0.5 mm (e.g., below the bottom of the bottom plate of a depth scanning measurement device with housing) can be applied to the pixel array of the image sensor unit using the optical scanning device be depicted. The depth scanning range is usually tailored to the sample to be examined, with a depth scanning range in the range of 1 mm to 1.5 mm, for example in the case of flexographic plates, enabling meaningful information about the quality condition of a flexographic plate.
Wie erwähnt ist eine beispielhafte Probe eine 3D-Flexoplatte. Flexoplatten sind leicht verformbar, sodass - zur Vermeidung von Beschädigungen durch eine Belastung einer aufliegenden Tiefenscanmessvorrichtung - eine Gewichtsbegrenzung pro Quadratzentimeter für eine aufliegende Tiefenscanmessvorrichtung zu berücksichtigen ist. Eine alternative Probe, die mit einer portablen Tiefenscanmessvorrichtung untersucht werden kann, ist ein PCB (Printed-Circuit-Boards). Auch ein PCB kann leicht durch ein aufliegendes Objekt beschädigt werden.As mentioned, an exemplary sample is a 3D flexo plate. Flexo plates are easily deformable, so - in order to avoid damage caused by a load on a depth scanning measuring device lying on it - a weight limit per square centimeter for a lying depth scanning measuring device must be taken into account. An alternative sample that can be examined with a portable depth scan measuring device is a PCB (printed circuit board). A PCB can also easily be damaged by an object lying on it.
In einem weiteren Aspekt wird eine Kalibriereinheit offenbart, die eine Auflageträgerstruktur, eine Trägerfläche und einen Kalibrierkörper umfasst. Die Auflageträgerstruktur definiert eine Auflageebene als Referenzebene für die Tiefenscanmessvorrichtung. Die Trägerfläche ist von der Auflageebene um mindestens den kalibrierten Tiefenscanbereich versetzt angeordnet. Der Kalibrierkörper ist auf der Trägerfläche angeordnet und bildet zumindest einen Teil einer Kalibrierstruktur aus. Die Kalibrierstruktur umfasst einen oberen Oberflächenabschnitt und einen unteren Oberflächenabschnitt, wobei der obere Oberflächenabschnitt und der untere Oberflächenabschnitt in einer Richtung orthogonal zur Auflageebene durch eine Kalibrierdistanz voneinander beabstandet sind. Die Kalibrierdistanz ist mit einer Genauigkeit von 0,005 mm oder weniger gegeben. Ein weiterer Aspekt umfasst ein Verfahren zur Kalibrierung einer Tiefenscanmessvorrichtung unter Verwendung einer Kalibriereinheit. Die Tiefenscanmessvorrichtung und die Kalibriereinheit können gemäß dem hierin offenbarten Tiefenscanmesssystem ausgebildet sein. Die Kalibriereinheit umfasst eine Auflageträgerstruktur und einen Kalibrierkörper, der zumindest einen Teil einer Kalibrierstruktur ausbildet, wobei die Kalibrierstruktur einen oberen Oberflächenabschnitt und einen unteren Oberflächenabschnitt umfasst und der obere Oberflächenabschnitt und der untere Oberflächenabschnitt in einer Richtung orthogonal zur Auflageebene durch eine Kalibrierdistanz voneinander beabstandet sind, wobei die Kalibrierdistanz mit einer Genauigkeit von 0,005 mm oder weniger gegeben ist. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- (insbesondere manuell oder automatisiert) Positionieren der Tiefenscanmessvorrichtung bezüglich der Auflageträgerstruktur der Kalibriereinheit derart, dass die Kalibrierstruktur in einem Ausschnitt einer Objektebene der Tiefenscanmessvorrichtung angeordnet ist, und in einem Prozessor der Tiefenscanmessvorrichtung:
- Bereitstellen eines oberen Zielpunkts im oberen Oberflächenabschnitt der Kalibrierstruktur und eines unteren Zielpunkts im unteren Oberflächenabschnitt,
- Ausführen eines Autofokusalgorithmus jeweils für den oberen Zielpunkt und den unteren Zielpunkt, wodurch die optische Scanvorrichtung jeweils für eine schrittweise Ein-stellung der Position der Objektebene in Tiefenrichtung angesteuert wird, bis die optische Scanvorrichtung bei einem oberen Schrittwert den oberen Oberflächenabschnitt im oberen Zielpunkt und bei einem unteren Schrittwert den unteren Oberflächenabschnitt im unteren Zielpunkt auf die Bildebene scharf abbildet,
- Ausgeben des oberen Schrittwerts der schrittweisen Einstellung für den oberen Zielpunkt und des unteren Schrittwerts für den unteren Zielpunkt, und
- Bestimmen einer Schrittwertedifferenz zwischen dem oberen Schrittwert und dem unteren Schrittwert,
- Berechnen eines Tiefeninkrements, das einem Schritt der optischen Scanvorrichtung bei der schrittweisen Einstellung eines Tiefenabstandswerts zugeordnet ist, durch Vergleichen der Schrittwertedifferenz mit der Kalibrierdistanz, und
- Ausgeben des Tiefeninkrements als Kalibrierparameter.
- (in particular manually or automatically) positioning the depth scanning measuring device with respect to the support support structure of the calibration unit in such a way that the calibration structure is arranged in a section of an object plane of the depth scanning measuring device, and in a processor of the depth scanning measuring device:
- Providing an upper target point in the upper surface section of the calibration structure and a lower target point in the lower surface section,
- Executing an autofocus algorithm for the upper target point and the lower target point, whereby the optical scanning device is controlled for a stepwise adjustment of the position of the object plane in the depth direction until the optical scanning device detects the upper surface section in the upper target point and at an upper step value lower step value sharply images the lower surface section in the lower target point on the image plane,
- Outputting the upper step value of the step adjustment for the upper target point and the lower step value for the lower target point, and
- determining a step value difference between the upper step value and the lower step value,
- Calculating a depth increment associated with a step of the optical scanning device in stepping a depth distance value by comparing the step value difference with the calibration distance, and
- Output the depth increment as a calibration parameter.
In einigen Weiterbildungen kann der obere Oberflächenabschnitt der Kalibrierstruktur durch einen optisch mit der Tiefenscanmessvorrichtung erfassbaren Oberflächenbereich des Kalibrierkörpers gebildet werden, der bevorzugt nicht mehr als 0,1 mm entfernt von der Referenzebene angeordnet ist. Ergänzend oder alternativ kann die Trägerfläche eine optisch erkennbare, insbesondere kreuzförmigen, Markierung aufweisen, die den untere Oberflächenabschnitt der Kalibrierstruktur ausbildet. Ferner kann die Trägerfläche von einer mindestens in einer Umgebung des Kalibrierkörpers teiltransparent ausgebildeten Trägerplatte, insbesondere als Oberseite der Trägerplatte, ausgebildet werden und/oder im Wesentlichen parallel zur Oberseite der Auflageplatte verlaufen und den untere Oberflächenabschnitt der Kalibrierstruktur ausbilden.In some developments, the upper surface section of the calibration structure can be formed by a surface area of the calibration body that can be optically detected with the depth scanning measuring device and is preferably arranged no more than 0.1 mm away from the reference plane. Additionally or alternatively, the carrier surface can have an optically recognizable, in particular cross-shaped, marking, which forms the lower surface section of the calibration structure. Furthermore, the carrier surface can be formed by a partially transparent carrier plate at least in an area surrounding the calibration body, in particular as the top side of the carrier plate, and/or can run essentially parallel to the top side of the support plate and form the lower surface section of the calibration structure.
In einigen Weiterbildungen kann die Linseneinheit der Tiefenscanmessvorrichtung eine Flüssiglinse mit einer einstellbaren Fokuslänge aufweisen, wobei die Fokuslänge in einem Bereich von mindestens ±0,25 mm, insbesondere von mindestens ±0,5 mm oder von mindestens ±1 mm, einstellbar ist, und insbesondere in einem Bereich von 5 mm bis 10 mm liegt. Die Steuerungseinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, die Flüssiglinse mit einer Versorgungsspannung oder einem Versorgungsstrom zur Einstellung der Fokuslänge zu versorgen und die Fokuslänge durch eine Änderung der Versorgungsspannung oder des Versorgungsstroms um ein Versorgungsinkrement schrittweise zu ändern. Ergänzend oder alternativ kann die Steuerungseinheit ferner einen Speicher umfassen, in dem ein Kalibrierparameter abgelegt ist, der dem Versorgungsinkrement das Tiefeninkrement zuordnet. Ergänzend oder alternativ kann die Pixelanordnung und die Linseneinheit derart geometrisch zueinander ausgerichtet sein, insbesondere können die Bildebene und die Objektebene derart im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sein, dass ein Ausführen des Autofokusalgorithmus an vier Ecken eines quadratischen planen Messbereichs von 1 mm mal 1 mm in der Objektebene Tiefenabstandswerte ergibt, die voneinander weniger als 0,035 mm, insbesondere weniger als 0,025 mm oder insbesondere weniger als 0,012 mm oder insbesondere weniger als 0,005 mm abweichen.In some developments, the lens unit of the depth scanning measuring device can have a liquid lens with an adjustable focus length, the focus length being adjustable in a range of at least ±0.25 mm, in particular of at least ±0.5 mm or of at least ±1 mm, and in particular is in a range of 5 mm to 10 mm. The control unit can also be set up to supply the liquid lens with a supply voltage or a supply current for adjusting the focus length and to change the focus length step by step by changing the supply voltage or the supply current by a supply increment. Additionally or alternatively, the control unit can further comprise a memory in which a calibration parameter is stored, which assigns the depth increment to the supply increment. Additionally or alternatively, the pixel arrangement and the lens unit can be geometrically aligned with one another, in particular the image plane and the object plane can be aligned essentially parallel to one another in such a way that the autofocus algorithm can be carried out at four corners of a square flat measuring area of 1 mm by 1 mm in the Object plane depth distance values result from each other by less than 0.035 mm, in particular less than 0.025 mm or in particular less than 0.012 mm or in particular less than 0.005 mm.
In einigen Weiterbildungen kann die Steuerungseinheit ferner einen Prozessor umfassen, der dazu eingerichtet ist, als Eingabewert einen Zielpunkt im Ausschnitt der Objektebene einzulesen, einen Autofokusalgorithmus auszuführen, der die optische Scanvorrichtung zur Einstellung eines Tiefenabstandswerts ansteuert, bei dem die optische Scanvorrichtung einen Oberflächenabschnitt im Zielpunkt auf die Bildebene scharf abbildet, und als Ausgabewert den Tiefenabstandswert auszugeben.In some developments, the control unit can further comprise a processor that is set up to read in a target point in the section of the object plane as an input value, to execute an autofocus algorithm that uses the optical scanning device to set a tie distance value, in which the optical scanning device sharply images a surface section in the target point on the image plane, and to output the depth distance value as an output value.
In einigen Weiterbildungen kann die Tiefenscanmessvorrichtung ferner ein Gehäuse mit einer Bodenplatte umfassen, die Bodenplatte eine Unterseite und eine Messöffnung aufweisen und die Unterseite als plane Bodenfläche zum Ablegen der Tiefenscanmessvorrichtung auf der zu untersuchenden Probe ausgebildet sein, wobei die Bildsensoreinheit und die Linseneinheit bezüglich der Bodenplatte derart im Gehäuse angeordnet und ausgebildet sein können, dass sich der Ausschnitt der Objektebene entlang der Unterseite und außerhalb der Messöffnung erstreckt. Die plane Bodenfläche der Bodenplatte kann in einer ersten Richtung ein Ausmaß von 30 mm bis 100 mm und in einer zur ersten Richtung orthogonalen zweiten Richtung ein Ausmaß von 80 mm bis 200 mm aufweisen und/oder die Auflageträgerstruktur kann mindestens drei Auflagepunkte im Bereich der Bodenplatte aufweisen und insbesondere als Auflageplatte mit einer Oberseite ausgebildet sein, wobei die Oberseite optional mindestens die Ausmaße der Unterseite aufweisen kann. Ergänzend oder alternativ kann die Unterseite auf der Auflageträgerstruktur derart positionierbar sein, dass ein optisch mit der Tiefenscanmessvorrichtung erfassbarer Oberflächenbereich des Kalibrierkörpers innerhalb der Messöffnung angeordnet ist und der Kalibrierkörper bevorzugt nicht mehr als 0,1 mm entfernt von der Unterseite angeordnet ist.In some developments, the depth scanning measuring device can further comprise a housing with a base plate, the base plate can have a bottom side and a measuring opening, and the underside can be designed as a flat floor surface for placing the depth scanning measuring device on the sample to be examined, the image sensor unit and the lens unit being in such a way with respect to the bottom plate can be arranged in the housing and designed so that the section of the object plane extends along the underside and outside of the measuring opening. The flat bottom surface of the base plate can have an extent of 30 mm to 100 mm in a first direction and an extent of 80 mm to 200 mm in a second direction orthogonal to the first direction and / or the support support structure can have at least three support points in the area of the base plate and in particular be designed as a support plate with an upper side, the upper side optionally being able to have at least the dimensions of the underside. Additionally or alternatively, the underside can be positioned on the support support structure in such a way that a surface area of the calibration body that can be optically detected with the depth scanning measuring device is arranged within the measuring opening and the calibration body is preferably arranged no more than 0.1 mm away from the underside.
Ferner kann die Kalibriereinheit ergänzend mindestens einen Anschlag zur Unterstützung der Positionierung der Tiefenscanmessvorrichtung auf der Auflageträgerstruktur aufweisen, wobei der mindestens eine Anschlag derart in einem Abstand zum Kalibrierkörper angeordnet ist, dass beim Kontaktieren des mindestens einen Anschlags mit der Tiefenscanmessvorrichtung der Kalibrierkörper im Ausschnitt der Objektebene der Tiefenscanmessvorrichtung positionierbar ist.Furthermore, the calibration unit can additionally have at least one stop to support the positioning of the depth scanning measuring device on the support support structure, the at least one stop being arranged at a distance from the calibration body in such a way that when the at least one stop comes into contact with the depth scanning measuring device, the calibration body is in the section of the object plane Depth scanning measuring device can be positioned.
In einigen Weiterbildungen der Tiefenscanmessvorrichtung kann die Bildsensoreinheit ferner einen Montagerand, der die Pixelanordnung umgibt, umfassen. Die optische Scanvorrichtung kann ferner einen Außentubus und einen Abstandstubus umfassen. Der Außentubus kann an einem sensorseitigen Ende des Außentubus an der Bildsensoreinheit befestigt sein und an einem objektseitigen Ende eine in ein Inneres des Außentubus gerichtete Innenauflagefläche aufweisen. Der Abstandstubus kann eine Sensorkontaktfläche zur Auflage auf dem Montagerand an einem sensorseitigen Ende und eine in Richtung der Innenauflagefläche gerichteten Außenauflagefläche umfassen. Die Linseneinheit kann zwischen der Innenauflagefläche und der Außenauflagefläche gelagert sein und der Außentubus kann über die Linseneinheit und den Abstandstubus gestülpt sein, sodass die Linseneinheit in einem durch eine Länge des Abstandstubus vorgegebenen Linsenabstand von der Bildebene positioniert ist.In some developments of the depth scan measuring device, the image sensor unit can further comprise a mounting edge that surrounds the pixel arrangement. The optical scanning device may further comprise an outer tube and a spacer tube. The outer tube can be attached to the image sensor unit at a sensor-side end of the outer tube and can have an inner support surface directed into an interior of the outer tube at an object-side end. The spacer tube can comprise a sensor contact surface for resting on the mounting edge at a sensor-side end and an outer support surface directed in the direction of the inner support surface. The lens unit can be mounted between the inner support surface and the outer support surface and the outer tube can be placed over the lens unit and the spacer tube, so that the lens unit is positioned at a lens distance from the image plane that is predetermined by a length of the spacer tube.
In einigen Weiterbildungen der Tiefenscanmessvorrichtung kann die Bildsensoreinheit über eine erste Halterung in einem festen Abstand zur Bodenplatte befestigt sein und die Linseneinheit kann über eine zweite Halterung an der Bodenplatte in einem vorgegebenen Linsenabstand von der Bildebene gehalten und positioniert sein.In some developments of the depth scanning measuring device, the image sensor unit can be attached via a first holder at a fixed distance from the base plate and the lens unit can be held and positioned on the base plate at a predetermined lens distance from the image plane via a second holder.
In einigen Weiterbildungen kann die Tiefenscanmessvorrichtung kann ferner mindestens eine Lichtquelle zur Beleuchtung des Ausschnitts der Objektebene umfassen, wobei die mindestens eine Lichtquelle insbesondere objektseitig an der Linseneinheit angeordnet sein kann.In some developments, the depth scanning measuring device can further comprise at least one light source for illuminating the section of the object plane, wherein the at least one light source can be arranged in particular on the object side on the lens unit.
In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann der obere Oberflächenabschnitt im Bereich eines obersten Punkts des Kalibrierkörpers und der untere Oberflächenabschnitt im Bereich einer Trägerfläche, auf der der Kalibrierkörper angeordnet ist, liegen und das Verfahren kann ferner die folgenden Schritte umfassen:
- Erfassen von Bilddaten des Kalibrierkörpers und der Trägerfläche neben dem Kalibrierkörper mit der Tiefenscanmessvorrichtung und optional Anzeigen der Bilddaten auf einer Anzeige,
- mithilfe einer Bedienschnittstelle der Tiefenscanmessvorrichtung oder automatisiert mithilfe eines Bildverarbeitungsalgorithmus, Auswählen eines ersten Pixels der angezeigten Bilddaten auf dem oberen Oberflächenabschnitt, und eines zweiten Pixels der angezeigten Bilddaten auf dem unteren Oberflächenabschnitt, und
- Einlesen des ersten Pixels als den oberen Zielpunkt und des zweiten Pixels als den unteren Zielpunkt in den Prozessor zum Ausführen des Autofokusalgorithmus jeweils für den oberen Zielpunkt und den unteren Zielpunkt.
- Capturing image data of the calibration body and the carrier surface next to the calibration body with the depth scan measuring device and optionally displaying the image data on a display,
- using an operating interface of the depth scanning measuring device or automated using an image processing algorithm, selecting a first pixel of the displayed image data on the upper surface portion, and a second pixel of the displayed image data on the lower surface portion, and
- Reading the first pixel as the upper target point and the second pixel as the lower target point into the processor to execute the autofocus algorithm for the upper target point and the lower target point, respectively.
In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann die Linseneinheit der Tiefenscanmessvorrichtung eine Flüssiglinse mit einer einstellbaren Fokuslänge aufweisen und das Verfahren kann ferner die folgenden Schritte umfassen:
- Einstellen der Fokuslänge die Flüssiglinse mit einer Versorgungsspannung oder einem Versorgungsstrom, und
- Ändern der Fokuslänge zur schrittweisen Einstellung der Position der Objektebene in Tiefenrichtung durch schrittweises Ändern der Versorgungsspannung oder des Versorgungsstroms um ein Versorgungsinkrement,
- Adjusting the focus length the liquid lens with a supply voltage or a supply current, and
- Changing the focus length to gradually adjust the position of the object plane in the depth direction by gradually changing the supply voltage or current by a supply increment,
Im Rahmen der hierin offenbarten optischen Scanvorrichtung der Tiefenscanmessvorrichtung erstreckt sich ein bildgebend untersuchbares Volumen lateral im Bereich des abgebildeten Ausschnitts der Objektebene und in Tiefenrichtung über einen Tiefenscanbereich, wie er von der optischen Scanvorrichtung bereitgestellt wird. Die Ausdehnung des Tiefenscanbereichs weg von der Unterseite ergibt sich aus dem maximalen Scanbereich der optischen Scanvorrichtung, beispielsweise gegeben durch den Einstellbereich einer Fokuslänge einer Linseneinheit. Die Ausdehnung des tiefen Scanbereichs liegt üblicherweise für die Analyse von Flexoplatten bei mindestens 0,5 mm, beispielsweise bei 1,5 mm oder bei 2 mm.As part of the optical scanning device of the depth scanning measuring device disclosed herein, a volume that can be examined by imaging extends laterally in the area of the imaged section of the object plane and in the depth direction over a depth scanning area, as provided by the optical scanning device. The extent of the depth scanning area away from the underside results from the maximum scanning area of the optical scanning device, for example given by the adjustment range of a focus length of a lens unit. The extent of the deep scanning area is usually at least 0.5 mm for the analysis of flexographic plates, for example 1.5 mm or 2 mm.
Die optische Scanvorrichtung ändert die Position der Objektebene schrittweise, wobei die Schrittweite in Tiefenrichtung gegeben ist durch die Änderung der Fokuslänge zwischen zwei Schritten in Tiefenrichtung.The optical scanning device changes the position of the object plane step by step, the step size in the depth direction being given by the change in the focus length between two steps in the depth direction.
Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften ersten Tiefenscanmessvorrichtung, -
2 einen vergrößerten Ausschnitt der1 zur Verdeutlichung eines ersten Ausführungsbeispiels einer optischen Scanvorrichtung, -
3 eine Aufsicht auf die Unterseite einer Bodenplatte der beispielhaften ersten Tiefenscanmessvorrichtung im Bereich der Messöffnung, -
4 eine perspektivische Ansicht der beispielhaften ersten Tiefenscanmessvorrichtung, die auf einer Flexoplatte abgelegt ist, -
5 eine schematische Darstellung einer Tiefenscanmessvorrichtung zur Verdeutlichung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer optischen Scanvorrichtung, -
6 eine schematische Übersicht zur Verdeutlichung einer Verwendung einer Kalibriereinheit zur Kalibrierung einer Tiefenscanmessvorrichtung, -
7 eine schematische perspektivische Darstellung einer Kalibriereinheit und -
8 eine Sequenz von Abbildungen des Ausschnitts der Objektebene zur Verdeutlichung eines Verfahrens zur Kalibrierung einer Tiefenscanmessvorrichtung und -
9A und9B schematische Darstellungen einer zweiten beispielhaften Tiefenscanmessvorrichtung, die auf Abstand zu einer aufgespannten Flexoplatte gehalten wird.
-
1 a schematic representation of an exemplary first depth scan measuring device, -
2 an enlarged section of the1 to illustrate a first exemplary embodiment of an optical scanning device, -
3 a top view of the underside of a base plate of the exemplary first depth scanning measuring device in the area of the measuring opening, -
4 a perspective view of the exemplary first depth scanning measuring device placed on a flexographic plate, -
5 a schematic representation of a depth scanning measuring device to illustrate a second exemplary embodiment of an optical scanning device, -
6 a schematic overview to illustrate the use of a calibration unit for calibrating a depth scan measuring device, -
7 a schematic perspective view of a calibration unit and -
8th a sequence of images of the section of the object plane to illustrate a method for calibrating a depth scanning measuring device and -
9A and9B schematic representations of a second exemplary depth scanning measuring device, which is kept at a distance from a clamped flexographic plate.
Nachfolgend werden die erfinderischen Konzepte beispielhaft in Verbindung mit den Figuren erläutert.The inventive concepts are explained below by way of example in connection with the figures.
Die in
In der Bodenplatte 7 ist eine Messöffnung 9 vorgesehen. Eine Bilddatenerfassungseinheit 11 erlaubt es, durch die Messöffnung 9 die darunter liegende Oberflächenstruktur aufzunehmen. Die Bilddatenerfassungseinheit 11 umfasst eine Bildsensoreinheit 13 mit einer zweidimensionalen (Sensor-) Pixelanordnung 13A (in der X-Y-Ebene). Die Pixelanordnung 13A definiert eine Bildebene 14 der Bilddatenerfassungseinheit 11. Ferner umfasst die Bilddatenerfassungseinheit 11 eine optische Scanvorrichtung 17 mit einer Linseneinheit 19. Die Linseneinheit 19 definiert eine Objektebene 21, wobei ein Tiefenabstand zwischen der Objektebene 21 und der Unterseite 7Ader Bodenplatte 7 einstellbar ist. Der Tiefenabstand ist in einer Tiefenrichtung definiert, die orthogonal zur Unterseite 7A (in den Figuren in Richtung der Z-Achse) verläuft.A measuring opening 9 is provided in the
Im Beispiel der
Die optische Scanvorrichtung 17 ist dazu ausgebildet, einen Ausschnitt der Objektebene 21 auf die zweidimensionale Pixelanordnung 13A abzubilden. Die Bildsensoreinheit 13 und die Linseneinheit 19 sind bezüglich der Bodenplatte 7, insbesondere bezüglich der Unterseite 7A der Bodenplatte 7, derart im Gehäuse 5 angeordnet und ausgebildet, dass sich der Ausschnitt der Objektebene 21 entlang der Unterseite 7A und außerhalb der Messöffnung 9 erstreckt. Bevorzugt verläuft die Objektebene 21 im Rahmen der Toleranz möglichst parallel zur Unterseite 7A, sodass die Unterseite 7A als Referenzebene eines Messvorgangs anzusehen ist. In
Die Bilddatenerfassungseinheit 11 umfasst ferner eine Steuerungseinheit 23, die mit der Bildsensoreinheit 13 zum Empfangen von Bilddaten und mit der optischen Scanvorrichtung 17 zur Einstellung des Tiefenabstands (kabelgebunden oder kabellos) verbunden ist. Die Steuerungseinheit 23 umfasst zum Beispiel einen Speicher 23A und einen Prozessor 23B. Sie ist beispielsweise als ein Computer oder eine programmierbare Recheneinheit ausgebildet. Beispielsweise kann die Einstellung des Tiefenabstands durch Einstellen der Fokuslänge der Flüssiglinse 19A erfolgen. Allgemein kann die Steuerungseinheit dazu eingerichtet sein, die Flüssiglinse 19A mit einer Versorgungsspannung oder einem Versorgungsstrom zu versorgen, wodurch die Fokuslänge festgelegt wird. Durch eine Änderung der Versorgungsspannung oder des Versorgungsstroms um ein Versorgungsinkrement kann die Fokuslänge schrittweise geändert/eingestellt werden.The image
Ferner kann die Steuerungseinheit 23 zur Steuerung der Bilddatenerfassung hinsichtlich möglicher Aufnahmeparameter eingerichtet und mit der Bildsensoreinheit 13 verbunden sein. Ferner ist die Steuerungseinheit 23 mit einer Bildauswerteeinheit 25 zur Abgabe von Bilddaten (kabelgebunden oder kabellos) verbunden. Die Bildauswerteeinheit 25 kann die Bilddaten in Kombination mit ausgewerteten Daten auf einer Anzeige 27 darstellen. Ferner kann die Bildauswerteeinheit 25 Parameter oder Eingabedaten mithilfe einer Eingabevorrichtung 29 (Tastatur, Maus, ...) empfangen. Beispielhaft sind in
Allgemein kann die Steuerungseinheit 23 zur Abgabe von Steuersignalen an die Bildsensoreinheit 13 und die optische Scanvorrichtung ausgebildet sein, um die Objektebene schrittweise um das Tiefeninkrement durch den Tiefenscanbereich zu verschieben und Bilddaten für die (bevorzugt gleich beabstandeten) Objektebenen zu erfassen. Bevorzugt sind die Objektebenen gleich beabstandet und werden mit einer gleichen Schrittweite (gleich große Versorgungsinkremente) abgetastet.In general, the
Hinsichtlich der Einstellung des Tiefenabstands ist die Steuerungseinheit 23 ferner dazu eingerichtet, sequenziell eine Mehrzahl von Tiefenabständen einzustellen und jeweils Bilddaten des Ausschnitts der Objektebene zu empfangen. Die Bilddaten gehören zu Bildaufnahme der Probe, bei denen die optische Scanvorrichtung 17 in unterschiedlichen Tiefenabständen von der Unterseite 7A scharf eingestellt ist.
Wieder bezugnehmend auf die Untersuchung der Flexoplatte 3 kann, um zum Beispiel auszuschließen, dass die Flexoplatte 3 beschädigt ist, die Oberfläche der Flexoplatte 3 visuell mit der Tiefenscanmessvorrichtung 1 untersucht werden. In einem ersten Untersuchungsschritt kann die Tiefenscanmessvorrichtung 1 auf die höherliegenden flachen Druckelemente 3A scharf eingestellt werden. Mit anderen Worten wird die von der Tiefenscanmessvorrichtung 1 eingestellte und von der optischen Scanvorrichtung 17 abgebildete Objektebene 21 auf die Ebene der Druckelemente 3A eingestellt. Wird die Tiefenscanmessvorrichtung 1 über die Flexoplatte 3 bewegt, kann auf der Anzeige 27 von einem Bediener oder automatisiert mittels Bildverarbeitung erkannt werden, wenn die zu erwartende Oberflächenstruktur nicht mehr in der Ebene der Druckelemente 3A liegt. Beispielhaft verdeutlicht dies
Für einen derartigen ersten Untersuchungsschritt (Begutachtung großer Flächenareale) liegt eine Schärfentiefe der Tiefenscanmessvorrichtung 1 vorzugsweise in einem Bereich von beispielsweise 10 µm bis 30 µm für Flexoplatten und allgemein in einem Bereich, der eine Differenzierung eines „oberen“ Bereichs von einem „unteren“ Bereich einer zu untersuchenden Oberflächenstruktur einer Probe erlaubt.For such a first examination step (assessment of large areas), a depth of field of the depth
Im gezeigten Beispiel ist der Außentubus 43 über die Linseneinheit 19 und den Abstandstubus 41 gestülpt, sodass die Linseneinheit 19 in einem durch eine Länge des Abstandstubus 41 vorgegebenen Linsenabstand von der Bildebene 14 entfernt gehalten wird.In the example shown, the
Wie in
An einem objektseitigen Ende weist der Außentubus 43 eine in ein Inneres des Außentubus 43 gerichtete Innenauflagefläche 43A auf. An einem objektseitigen Ende weist der Abstandstubus 41 eine in Richtung der Objektebene und damit in Richtung der Innenauflagefläche 43A gerichtete Außenauflagefläche 41B auf. Zwischen der Innenauflagefläche 43A und der Außenauflagefläche 41B ist die Linseneinheit 19 gelagert. Man erkennt, dass der Außentubus 43 die Linseneinheit 19 und den Abstandstubus 41 gegen den Montagerand 13B klemmt. Neben der in
Die Steuerungseinheit 23 kann ferner einen Prozessor 23B umfassen, der dazu eingerichtet ist, im Rahmen eines Tiefenmessvorgangs einen Autofokusalgorithmus auszuführen. Der Autofokusalgorithmus wird beispielsweise zusammen mit Eingabeparametern aus dem Speicher 23A ausgelesen. Im Speicher 23A kann ferner beispielsweise ein Kalibrierparameter abgelegt werden, der einem (Spannung-/Strom-) Versorgungsinkrement der Flüssiglinse 19A das Tiefeninkrement ΔT zuordnet. Der Autofokusalgorithmus wertet Bilddaten der Flexoplatte 3 aus, die mit der Bilddatenerfassungseinheit 11 für einen Ausschnitt 49 der Objektebene 21 gewonnen wurden und an die Steuereinheit 23 weitergeleitet wurden. Die Steuerungseinheit 23 stellt einen spezifischen Tiefenabstand für die Objektebene 21 durch Ansteuern der optischen Scanvorrichtung 17 ein. Ziel ist die Einstellung eines Tiefenabstandswerts derart, dass die optische Scanvorrichtung 17 einen Oberflächenabschnitt der Probe, hier der Flexoplatte 3, im Bereich eines Zielpunkts auf die Bildebene 14 scharf abbildet. Wird beispielsweise der Messpunkt 33A als Zielpunkt in der auf der Anzeige 27 der
Insbesondere kann in einigen Ausführungsformen die optische Scanvorrichtung 17 die Objektebene 21 in einem Toleranzbereich von 0,025 mm oder weniger auf die Bildebene scharf abbilden. So können die Fokuslänge der Linseneinheit 19, der Abstand zwischen der Bildsensoreinheit 13 und der Linseneinheit 19 (Linsenabstand) und die Apertur der Linseneinheit 19 derart gewählt werden, dass der Objektebene 21 eine Schärfentiefe im Bereich von 0,002 mm bis 0,05 mm, insbesondere im Bereich von 0,01 mm bis 0,03 mm, zugeordnet ist. Insbesondere kann der Objektebene eine Schärfentiefe im Bereich von 0,2 % bis 5 %, beispielsweise im Bereich um 1 %, des Tiefenscanbereichs 51 zugeordnet werden.In particular, in some embodiments, the optical scanning device 17 can image the
Der Autofokusalgorithmus gibt dann den Tiefenabstandswert, auf den die optische Scanvorrichtung 17 eingestellt wurde, als Ausgabewert des Tiefenmessvorgangs aus.The autofocus algorithm then outputs the depth distance value to which the optical scanning device 17 was set as the output value of the depth measurement process.
Beispielsweise mithilfe der Halterung 22, des Außentubus 43 und des Abstandstubus 41 - geometrisch mit entsprechender Präzision ausgebildet - können die Pixelanordnung 13A, die Linseneinheit 19 und die Unterseite 7A derart geometrisch zueinander ausgerichtet werden, dass ein Ausführen eines Autofokusalgorithmus an vier Ecken eines quadratischen, planen Messbereichs von 1 mm mal 1 mm in der Objektebene 21 zu vergleichbaren Tiefenabstandswerten führt. Im Rahmen eines Tiefenmessvorgangs ausgegebene Tiefenabstandswerte weichen z. B. voneinander weniger als 0,035 mm, insbesondere weniger als 0,025 mm oder insbesondere weniger als 0,012 mm oder insbesondere weniger als 0,005 mm ab. Bei entsprechender Ausrichtung wird ein Bereich scharf abgebildet, der sich parallel zur Unterseite 7A erstreckt. Mit anderen Worten sind - im Rahmen der Toleranz und über den gesamten Tiefenscanbereich 51 - die Bildebene 14 und die Objektebene 21 im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Dies ermöglicht es, dass die Bilddatenerfassungseinheit 11 eine - durch eine vorliegende Schärfentiefe auf einen Bereich in Tiefenrichtung (Z-Richtung in
Ferner zeigen die
Bezugnehmend auf die schematisierte Darstellung einer portablen Ausführungsform der Tiefenscanmessvorrichtung 1 in
Wesentlich für die Nutzung der Tiefenscanmessvorrichtung 1 ist eine hohe Genauigkeit in der Vermessung einer Oberflächenstruktur in Tiefenrichtung. In Zusammenhang mit den
Die Kalibriereinheit 71 umfasst ferner eine Trägerfläche 75A, die von der Auflageebene/Referenzebene um mindestens den zu kalibrierenden Tiefenscanbereich 51 versetzt/abgesenkt angeordnet ist, sowie einen Kalibrierkörper 77, der auf der Trägerfläche 75A angeordnet ist. Der Kalibrierkörper 77 bildet zumindest einen Teil einer Kalibrierstruktur aus, die einen oberen Oberflächenabschnitt und einen unteren Oberflächenabschnitt umfasst. Die Oberflächenabschnitte sind bevorzugt derart ausgebildet, dass sie in einer Aufnahme der Tiefenscanmessvorrichtung 1 von einem Bediener oder automatisiert mittels Bildverarbeitung lokalisiert werden können, um einen Zielpunkt im jeweiligen Oberflächenabschnitt für einen Autofokusalgorithmus festlegen zu können.The
Bevorzugt können der obere Oberflächenabschnitt und/oder der untere Oberflächenabschnitt als plane Oberflächenbereiche ausgebildet werden. Einem solchen planen Oberflächenbereich ist ein einziger Tiefenabstand zugeordnet, wenn der Oberflächenbereich sich im Wesentlichen parallel zur Auflageebene/der Oberseite 73A erstreckt und damit parallel zur Unterseite 7A der aufgelegten Tiefenscanmessvorrichtung 1 ausgerichtet ist. Hierbei ist auch ein Kugeloberfläche im Bereich um den obersten Punkt der Kugel als im Wesentlichen parallel zur Auflageebene/der Oberseite 73A anzusehen.The upper surface section and/or the lower surface section can preferably be designed as flat surface areas. A single depth distance is assigned to such a flat surface area if the surface area extends essentially parallel to the support plane/
Ferner kann in einem Oberflächenabschnitt eine zu vermessende Position in Tiefenrichtung beispielsweise durch einen obersten (untersten) Punkt eines gekrümmten oder spitzzulaufenden Oberflächenverlaufs festgelegt werden. Dieser kann als Zielpunkt für einen Autofokusalgorithmus in einer Aufnahme der Tiefenscanmessvorrichtung 1 von einem Bediener oder automatisiert mittels Bildverarbeitung lokalisiert werden kann.Furthermore, in a surface section, a position to be measured in the depth direction can be determined, for example, by a top (bottom) point of a curved or tapering surface profile. This can be used as a target point for an autofocus algorithm in a recording of the depth
In der beispielhaften Ausführung ist die Trägerfläche 75A eine Oberfläche einer Trägerplatte 75 und stellt einen unteren Oberflächenabschnitt der Kalibrierstruktur dar. Die Trägerplatte 75 ist in einer Aussparung 73B der Auflageplatte 73 versenkt angeordnet. Die Trägerplatte 75 liegt beispielsweise auf einem Vorsprung in der Aussparung 73B (auch als Durchgangsöffnung ausführbar insbesondere bei Verwendung mit Durchlichteinheit) auf und ist optional an der Auflageplatte 73 befestigt. Bevorzugt verläuft die Trägerfläche 75A im Wesentlichen parallel zur Auflageebene/Referenzebene (und damit der Oberseite 73A) und ist damit auch parallel zur Unterseite 7A der aufgelegten Tiefenscanmessvorrichtung 1 ausgerichtet. Die Trägerplatte 75 kann - mindestens in der Umgebung des Kalibrierkörpers 77 - teiltransparent ausgebildet sein, sodass ergänzend zu einer Beleuchtung des Kalibrierkörpers 77 durch die Lichtquellen 55 seitlich von oben (Pfeil 81A) eine Beleuchtung von unten (Pfeil 81B) vorgesehen werden kann. Die Beleuchtung von unten kann beispielsweise mithilfe einer Durchlichteinheit, auf der die Kalibriereinheit 71 aufliegt, erzeugt werden und zur Verstärkung des Kontrasts in der Bildgebung führen. Die Trägerplatte 75 kann beispielsweise aus Glas bestehen und eine Dicke im Bereich von 0,05 mm bis 2 mm, beispielsweise eine Dicke von 100 µm, aufweisen. Bevorzugt ist die Trägerplatte 75 ein Präzisionsglas das geringe Schwankungen in der Dicke aufweist und somit im Wesentlichen als „plan“ angesehen werden kann.In the exemplary embodiment, the
Allgemein stellt die Kalibriereinheit 71, insbesondere der Kalibrierkörper 77 optional in Kombination mit der Trägerfläche 75A, strukturell einen genau in Tiefenrichtung kalibrierten Höhenunterschied zweier Oberflächenabschnitte bereit, die mit der Tiefenscanmessvorrichtung 1 bei zwei unterschiedlichen Tiefenabständen erfassbar sind und deren Höhenunterschied mit einem Autofokusalgorithmus auswertbar ist. Im Beispiel der
Ein optisch mit der Tiefenscanmessvorrichtung 1 erfassbarer oberer Oberflächenabschnitt des Kalibrierkörpers 77 weist bevorzugt einen Mindestabstand zur Trägerfläche 75A auf und ist bevorzugt nicht mehr als 0,1 mm von der Trägerfläche 75A entfernt (unterhalb) angeordnet, wodurch möglichst eine Kontaktierung des Kalibrierkörpers 77 mit der Tiefenscanmessvorrichtung 1 bei der Kalibrierung vermieden werden kann.An upper surface section of the
Wie in
Allgemein kann die Tiefenscanmessvorrichtung 1, insbesondere die Bodenfläche der Auflageträgerstruktur, derart auf der Kalibriereinheit 71 positioniert werden, dass ein optisch mit der Tiefenscanmessvorrichtung 1 erfassbarer Oberflächenbereich des Kalibrierkörpers 77 innerhalb der Messöffnung 9 angeordnet ist. Zur Unterstützung der Positionierung der Tiefenscanmessvorrichtung 1 kann die Kalibriereinheit ferner mindestens einen Anschlag 83 auf der Auflageträgerstruktur aufweisen. Der mindestens eine Anschlag 82 ist bevorzugt derart in einem Abstand zum Kalibrierkörper 77 angeordnet, dass beim Kontaktieren des mindestens einen Anschlags 83 mit der Tiefenscanmessvorrichtung 1 der Kalibrierkörper 77 im abgebildeten Ausschnitt der Objektebene 21 der Tiefenscanmessvorrichtung 1 positionierbar ist. Wie in
In einem Verfahren zur Kalibrierung der Tiefenscanmessvorrichtung 1 unter Verwendung der Kalibriereinheit 71 wird die Tiefenscanmessvorrichtung entsprechend der Anordnung, wie sie in
In
Wie schematisch in
Ein Bediener oder eine Bildverarbeitungsroutine kann die Zielpunkte 91A und 93A auswählen und diese als einen oberen Zielpunkt im oberen Oberflächenabschnitt der Kalibrierstruktur und einen unteren Zielpunkt im unteren Oberflächenabschnitt in einem Prozessor 23B (siehe
Der obere Schrittwert der schrittweisen Einstellung für den oberen Zielpunkt und der untere Schrittwert für den unteren Zielpunkt werden vom Autofokusalgorithmus ausgegeben, sodass eine Schrittwertedifferenz zwischen dem oberen Schrittwert und dem unteren Schrittwert vom Prozessor bestimmt werden kann. Die Schrittwertedifferenz stellt die Anzahl der Schritte dar, die die optische Scanvorrichtung 17 zwischen dem oberen Zielpunkt 91A und dem unteren Zielpunkt 93A für eine scharfe Abbildung derselben verfahren werden muss.The upper step value of the step adjustment for the upper target point and the lower step value for the lower target point are output by the autofocus algorithm, so that a step value difference between the upper step value and the lower step value can be determined by the processor. The step value difference represents the number of steps that the optical scanning device 17 must move between the
Die Anzahl der Schritte entspricht der Kalibrierdistanz D. Durch Vergleichen der Schrittwertedifferenz mit der Kalibrierdistanz D kann das Tiefeninkrement ΔT, das einem (einzelnen) Schritt der optischen Scanvorrichtung bei der schrittweisen Einstellung eines Tiefenabstandswerts zugeordnet ist, vom Prozessor bestimmt werden. Bei einer Anzahl von 250 Schritten für eine Kalibrierdistanz D von 0,5 mm ergibt sich somit ein Tiefeninkrement ΔT von 2 µm .The number of steps corresponds to the calibration distance D. By comparing the step value difference with the calibration distance D, the depth increment ΔT, which is assigned to a (single) step of the optical scanning device when setting a depth distance value step by step, can be determined by the processor. With a number of 250 steps for a calibration distance D of 0.5 mm, this results in a depth increment ΔT of 2 µm.
Das Tiefeninkrement ΔT kann als Kalibrierparameter vom Prozessor berechnet und im Speicher 23A abgelegt werden. Allgemein kann vom Prozessor eine Mehrzahl von Tiefeninkrementen ΔT für verschiedene Versorgungsinkremente (d. h. verschiedene Schrittweiten) mit Blick auf verschiedene zu untersuchende Oberflächenstrukturen für die Einstellung der Fokuslänge vorbereitet/bestimmt und im Speicher 23A abgelegt werden.The depth increment ΔT can be calculated by the processor as a calibration parameter and stored in
Beim Einsatz der Tiefenscanmessvorrichtung 1 kann eine Oberflächenstruktur einer Probe unter Berücksichtigung des Tiefeninkrements ΔT in Tiefenrichtung vermessen werden. Nach manueller/automatisierter Auswahl eines Zielpunkts und Bestimmen des Schrittwerts für den Zielpunkt mithilfe des Autofokusalgorithmus kann der Schrittwert für die „auf den Zielpunkt scharf gestellte“ Objektebene 21 mit dem Tiefeninkrement ΔT multipliziert und als Tiefenabstandswert vom Prozessor ausgegeben und beispielsweise auf der Anzeige 27 angezeigt werden. Dies erlaubt beispielsweise die Vermessung der Höhe/Tiefe von Druckpunkten oder Drucklinien.When using the depth
In den hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen können der Abstandstubus 41 und der Außentubus 43 sowie die Halterung 22 (
Alternativ zur Verwendung der hierin offenbarten Konzepte im Rahmen einer portablen Tiefenscanmessvorrichtung (
Die Tiefenscanmessvorrichtung 101 umfasst eine Bilddatenerfassungseinheit 111, die eine Bildsensoreinheit 113 und eine optische Scanvorrichtung 117 umfasst, die beispielhaft gemäß der ersten Ausführungsform ausgebildet sind. Bezüglich des Aufbaus und der Funktion wird auf die vorausgehende Beschreibung z. B. im Zusammenhang mit den
Ferner umfasst die Tiefenscanmessvorrichtung 101 eine Positioniereinheit 104, an der die Bildsensoreinheit 113 befestigt ist. Die Positioniereinheit 104 ist dazu ausgebildet, die Bildsensoreinheit 113 im Raum mindestens in einer Richtung orthogonal zur Bildebene 14 (in
Durch Positionieren der Bildsensoreinheit 113 im Raum kann die Objektebene 21 auf eine Referenzebene einer Kalibriereinheit (nicht gezeigt) gelegt werden. Alternativ kann eine Kalibrierung vor Montage der Bilddatenerfassungseinheit 111 durchgeführt werden. Bezüglich der Kalibrierung wird auf die vorausgehende Beschreibung in Zusammenhang mit den
Zur Untersuchung der Flexoplatte 103 kann die „oberste“ Objektebene 21 des Scanbereichs 51 auf eine Oberfläche der höherliegenden Druckelemente 103A der Flexoplatte 103 als zu untersuchende Probe gelegt werden.To examine the
Der Druckzylinder ist drehbar gelagert (verdeutlicht durch Pfeil 102), sodass in einem ersten Untersuchungsschritt aufgrund der limitierten Schärfentiefe durch Rotation des Druckzylinders leicht fehlerhafte Druckelemente identifiziert werden können. Befindet sich - wie in
Im Rahmen eines zweiten Untersuchungsschritts (Tiefenmessvorgang) wird die Flexoplatte 103 mithilfe der Tiefenscanmessvorrichtung 101 im Bereich der defekten Druckelemente bei stationärem Druckzylinder untersucht. Wie in
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.It is expressly emphasized that all features disclosed in the description and/or the claims are considered to be separate and independent from each other for the purpose of the original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention, regardless of the combinations of features in the embodiments and/or the claims should. It is explicitly stated that all range statements or statements of groups of units disclose every possible intermediate value or subgroup of units for the purpose of the original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention, in particular also as a limit of a range statement.
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